復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)在汽車外飾中的應(yīng)用和發(fā)展

1、復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)在汽車外飾中的應(yīng)用和發(fā)展作者：贏創(chuàng)德固賽 范海濤汽車外飾目前的材料體系汽車外飾件，即汽車外部的功能性或裝飾性部件，主要包括保險杠、翼子板、車身裙板、外側(cè)圍、 進(jìn)氣道、車頂蓋、車門、散熱器格柵、 發(fā)動機 罩、擾流板、防擦條、后門拉手和腳踏板等。由于其 所處的位置（外部）和具有的功能（防撞等），這些部件所用材料要求具有較高的強度、韌性、耐 環(huán)境條件的性能及抗沖擊性能。隨著汽車工業(yè)和材料工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，汽車外飾材料已逐漸走向多元化。除了普通鋼材以 外，高強度鋼、鋁鎂合金、工程塑料和各種 復(fù)合材料 也正得到越來越多的應(yīng)用。其中，復(fù)合材料以其質(zhì)量輕、可設(shè)計性好和抗腐蝕等優(yōu)點日

2、益得到廣泛應(yīng)用。圖 1 夾層結(jié)構(gòu)的概念一般，選用汽車外飾材料的決定因素包括：材料成本、生產(chǎn)率、加工難度、設(shè)計方法的成熟性以及 汽車重量等。根據(jù)汽車類型的不同，所用復(fù)合材料種類也不盡相同。對于普通轎車而言，成本和生產(chǎn)率是著重考慮的因素。因此，除了金屬材料外，目前此類汽車最常用的外飾材料是熱塑性塑料（有時加入短玻璃纖維增強）。這類材料可以通過注射模塑工藝實現(xiàn)量產(chǎn)，具有較高的生產(chǎn)率。與熱塑性塑料相比，熱固性塑料的應(yīng)用較少。一般，只有兩種工藝能夠?qū)?現(xiàn)熱固性復(fù)合材料的中高規(guī)模的量產(chǎn)：即片狀模塑成型（SMC）和樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型（ RTM）。圖 2 ROHACELL在雷諾第三代和第四代 Espace 汽車

3、上的應(yīng)用運動型和概念驗證型轎車通常對低重量、高強度 / 剛度的要求較高，一般不需要實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)（即 對生產(chǎn)率要求不高），其面向的市場可承受較高的成本，因此此類汽車的外飾廣泛采用了纖維增強 復(fù)合材料。而承擔(dān)運輸任務(wù)的卡車和拖車，其車體重量對運輸成本有較大的影響，因此此類汽車也有采用復(fù)合 材料（纖維增強復(fù)合材料、夾層板等）的實例。表中列出了復(fù)合材料在某些車型外飾上的應(yīng)用。 其中 SMC為片狀模塑成型， RTM為樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型， RIM 為反應(yīng)注射成型， VI 為真空樹脂注入成型?？梢钥闯?，纖維增強復(fù)合材料等已隨著技術(shù)的成熟而得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用部件包括車門、發(fā)動機罩、 前格柵、翼子板、保險扛骨架

4、、門柱護(hù)板、通風(fēng)百葉窗和導(dǎo)流罩等近20 種外飾件。多材料混合結(jié)構(gòu)體系復(fù)合材料在汽車外飾上的應(yīng)用動力來自于汽車的輕量化趨勢。圖 3 ROHACELL71 IG在奔馳 McLaren SLR 汽車上的應(yīng)用汽車的輕量化包括材料的輕量化和結(jié)構(gòu)的輕量化。材料的輕量化一般通過采用輕量化的金屬和非金 屬材料來實現(xiàn)，主要包括高強度鋼、鋁鎂合金、工程塑料以及各種復(fù)合材料。目前，盡管鋼鐵材料 仍在汽車材料中占據(jù)主導(dǎo)地位，但其比例逐年下降，而鋁合金、鎂合金、工程塑料和復(fù)合材料等輕 量化材料的應(yīng)用比例則逐年上升。材料輕量化，尤其是基于復(fù)合材料的材料輕量化，已成為世界汽 車材料技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。自 20世紀(jì) 60

5、 年代復(fù)合材料被引入汽車制造業(yè)后，其在提高汽車性能及減輕重量方面的優(yōu)點已得到 證實。復(fù)合材料具有比強度高、比剛度高、性能可設(shè)計和易于整體成形等許多優(yōu)異特性，將其用于 汽車結(jié)構(gòu)上，可憑借比常規(guī)金屬結(jié)構(gòu)低的重量達(dá)到同等的性能，這是其他材料無法或難以實現(xiàn)的。美國先進(jìn)汽車技術(shù)能源事務(wù)部曾與美國汽車研究委員會聯(lián)手，從事有關(guān)汽車結(jié)構(gòu)的先進(jìn)材料、加工 方法和裝配技術(shù)的開發(fā)項目， 其重點之一就是汽車結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的開發(fā)。 20世紀(jì) 80 年代末，USCAR 下設(shè)的汽車復(fù)合材料委員會也開展了此方面的研究。最近德國 Paderborn 大學(xué)的等人提出“多材料輕量化結(jié)構(gòu)”及“合適材料用在合適的部位”兩個概 念，指出

6、了車身材料的發(fā)展趨勢，即通過對多材料復(fù)合體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在改進(jìn)汽車性能的同時， 顯著減輕車身重量。當(dāng)前，材料的組合以高強度鋼、鋁、鎂和復(fù)合材料為主。目前汽車中使用的復(fù) 合材料形式主要有：金屬基復(fù)合材料、纖維層壓板、編織復(fù)合材料以及夾層板等。圖 4 ROHACELL在 Lancer Evolution 8上的應(yīng)用基于復(fù)合材料的多材料輕量化應(yīng)用的一個典型實例是道奇SRT-10。該型轎車采用了多種復(fù)合材料及多種制造工藝。其翼子板采用了玻璃纖維增強復(fù)合材料（反應(yīng)注塑成型工藝），發(fā)動機蓋采用了玻 璃纖維增強復(fù)合材料（ SMC工藝），翼子板支撐面、擋風(fēng)玻璃窗框和門板采用了碳纖維增強復(fù)合材料 （SMC工藝

7、）。但是，基于復(fù)合材料的多材料輕量化尚未在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，主要原因是： 復(fù)合材料的加工工藝大多不能適應(yīng)高產(chǎn)量的生產(chǎn)需求，因此需要在工藝上進(jìn)行改進(jìn)，以縮短目前復(fù) 合材料部件的生產(chǎn)時間；復(fù)合材料加工工藝的 自動化 水平有待提高（特別是增強材料鋪放的自動化），以降低制造成本、縮 短生產(chǎn)周期及實現(xiàn)質(zhì)量控制的自動化；原材料價格較高，影響了復(fù)合材料的大量應(yīng)用；目前能夠滿足新的報廢汽車法規(guī)的復(fù)合材料及工藝十分有限；汽車用復(fù)合材料的檢測方法還不夠完善；需要開發(fā)專門的汽車合成材料的設(shè)計程序，盡管所有汽車制造廠都已開發(fā)了用于金屬零件的設(shè)計程 序，但該程序一般不能為復(fù)合材料所用；還需要開發(fā)新的復(fù)合材料數(shù)字模擬

8、，并要求這些模擬在 3 個方面具有判定能力，即典型材料性能的 可用性、材料模擬的精確性以及要求的計算結(jié)果?；诙嗖牧辖Y(jié)構(gòu)體系的輕量化過程的最終目的是：在基于多材料多結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)上，實現(xiàn)模塊化制 造和裝配，其中包括復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。圖 5 ROHACELL在寶馬 X5 上的應(yīng)用PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)的特點夾層結(jié)構(gòu)是一種多材料混合結(jié)構(gòu)體系，通常由上下面板及中間的芯材組成，如圖1 所示。芯材一般 采用輕質(zhì)材料（通常為蜂窩或者泡沫），它既可承受剪切載荷，也能起到減震和吸收噪音的作用 面板一般采用強度和剛度均較高的復(fù)合材料，可以是層壓板，也可以是纏繞或編織成型的復(fù)合材料 板。夾層結(jié)構(gòu)傳遞載荷的方式類似于工字

9、梁，上下面板提供面內(nèi)的剛度和強度，承受由彎矩或面內(nèi) 拉壓引起的面內(nèi)拉壓應(yīng)力和面內(nèi)剪應(yīng)力，芯材提供面板法向方向的剛度和強度，承受壓應(yīng)力和橫向 力產(chǎn)生的剪應(yīng)力，并支持面板，使其不失去穩(wěn)定性，并可較大幅度地減輕構(gòu)件的重量。并且，由于 芯材較輕，面板較強，從而能同時達(dá)到重量輕和性能好的要求。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)可以采用聚甲基丙稀酰亞胺（簡稱“ PMI”）泡沫作為芯材。PMI泡沫最早由德國羅姆公司于 1972年開發(fā)研制出來， 經(jīng)過 30多年的發(fā)展， 目前已形成了一系列的 產(chǎn)品。現(xiàn)在市場上的 PMI 泡沫產(chǎn)品主要是德國贏創(chuàng)德固賽公司 （前身為羅姆公司） 生產(chǎn)的 ROHACEL。LPMI 泡沫是通過固體發(fā)泡工藝

10、制作而成的，其孔隙基本一致，且為均勻的100%閉孔泡沫。在相同密度條件下， PMI 是已知泡沫材料中強度和剛度最高的泡沫材料之一。 PMI 泡沫具有如下性能特點：不 含氟里昂和鹵素；易于機械加工，不需要特殊的機具；能夠熱成形，并保證 100%閉孔泡沫，且具有 各向同性；與各種樹脂系統(tǒng)兼容（濕法和預(yù)浸料）；具有較高的熱變形溫度、強度- 重量比和耐疲勞性能；在加工過程中，具有很好的抗壓縮蠕變性能，可以適用于包括中溫環(huán)氧、高溫環(huán)氧以及 BMI 樹脂預(yù)浸料等的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)共固化工藝。該泡沫在高溫下具有優(yōu)異的耐蠕變性能，因而能夠 應(yīng)用于需要高溫固化的構(gòu)件。經(jīng)適當(dāng)?shù)母邷靥幚砗螅?PMI 泡沫能適應(yīng) 1

11、90的固化工藝并保持尺寸穩(wěn) 定性，適用于與環(huán)氧或 BMI 樹脂共固化的夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。PMI 泡沫自身的優(yōu)勢結(jié)合復(fù)合材料層壓板， 就可以構(gòu)成結(jié)構(gòu)效率高、 具有高比剛度和高比強度的復(fù)合 材料夾層結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計和工藝要求，通?？梢圆捎玫慕Y(jié)構(gòu)形式有PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)板和 PMI 泡沫夾層結(jié)構(gòu)加強筋。應(yīng)用實例近年來， ROHACELLPM泡I沫已在在汽車外飾件上得到了應(yīng)用。1999 年至 2001年，雷諾汽車公司采用 RTM工藝，先后成功地在 Espace 第三代汽車的發(fā)動機罩和第 四代汽車的車頂加強筋部位使用了 ROHACELL 51 IG，并采用了玻璃纖維進(jìn)行增強，如圖 2 所示。此外，奔馳 Mc

12、Laren SLR汽車的車門檻板和后保險杠底桿等部件則使用了ROHACELL 71 IG，如圖 3所示。在 Lancer Evolution 8 中，ROHACELL 51IG 被用作擾流板的夾層結(jié)構(gòu)芯材，它比原來的ABS部件減輕了 2kg，如圖 4所示。在寶馬 X5 中，通過熱壓罐工藝固化成型的以 ROHACELL為 芯材的夾層板發(fā) 動機蓋，其重量僅為金屬制發(fā)動機蓋的 1/4 左右，如圖 5 所示。2006 年，贏創(chuàng)（中國）投資有限公司聯(lián)合上海同濟(jì)大學(xué)一起，就“采用復(fù)合材料設(shè)計和制造大型汽 車覆蓋件”進(jìn)行了一系列的探索和研究。 其中，PMI 泡沫夾心帽筋條結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料發(fā)動機蓋和后背 門部件已被安裝在上海燃料 電池 汽車動力系統(tǒng)有限公司的新一代燃料電池汽車上。與傳統(tǒng)的金屬結(jié) 構(gòu)部件相比，二者分別減重 %和%。在其開發(fā)過程中，通過采用最新的夾層結(jié)構(gòu)帽筋條設(shè)計，以及樹 脂轉(zhuǎn)移模塑工藝，實現(xiàn)了一步整體成型。該項目的成功使得汽車復(fù)合材料的概念不再是單純的短纖 維增強復(fù)合材料（例如 SMC、 GMT），而是將纖維增強復(fù)合材料、設(shè)計與制造工藝相結(jié)合，并與其他 材料相結(jié)合，實現(xiàn)了最終的多材料結(jié)構(gòu)方案。由上述實例可以看出，采用 ROHACELL泡 沫芯材的夾層結(jié)構(gòu)能大大減少汽車外飾件的重量?？偨Y(jié)將 PMI 泡