復合材料泡沫夾層結構在汽車外飾中的應用和發(fā)展

行業(yè)磚家

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、外側圍、進氣道、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、工程塑料和各種復合材料也正得到越來越多的應用。

其中，復合材料以其質量輕、可設計性好和抗腐蝕等優(yōu)點日益得到廣泛應用。

一般，選用汽車外飾材料的決定因素包括：材料成本、生產率、加工難度、設計方法的成熟性以及汽車重量等。根據(jù)汽車類型的不同，所用復合材料種類也不盡相同。

對于普通轎車而言，成本和生產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，具有較高的生產率。與熱塑性塑料相比，熱固性塑料的應用較少。一般，只有兩種工藝能夠實現(xiàn)熱固性復合材料的中高規(guī)模的量產：即片狀模塑成型（SMC）和樹脂轉移模塑成型（RTM）。


圖2  ROHACELL在雷諾第三代和第四代Espace汽車上的應用


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（即對生產率要求不高），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合材料。

而承擔運輸任務的卡車和拖車，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合材料（纖維增強復合材料、夾層板等）的實例。

表中列出了復合材料在某些車型外飾上的應用。其中SMC為片狀模塑成型，RTM為樹脂轉移模塑成型，RIM為反應注射成型，VI為真空樹脂注入成型。

可以看出，纖維增強復合材料等已隨著技術的成熟而得到廣泛應用，應用部件包括車門、發(fā)動機罩、前格柵、翼子板、保險扛骨架、門柱護板、通風百葉窗和導流罩等近20種外飾件。

多材料混合結構體系

復合材料在汽車外飾上的應用動力來自于汽車的輕量化趨勢。


圖3  ROHACELL71 IG在奔馳McLaren SLR汽車上的應用


汽車的輕量化包括材料的輕量化和結構的輕量化。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合材料。目前，盡管鋼鐵材料仍在汽車材料中占據(jù)主導地位，但其比例逐年下降，而鋁合金、鎂合金、工程塑料和復合材料等輕量化材料的應用比例則逐年上升。材料輕量化，尤其是基于復合材料的材料輕量化，已成為世界汽車材料技術發(fā)展的主要方向之一。

自20世紀60年代復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。復合材料具有比強度高、比剛度高、性能可設計和易于整體成形等許多優(yōu)異特性，將其用于汽車結構上，可憑借比常規(guī)金屬結構低的重量達到同等的性能，這是其他材料無法或難以實現(xiàn)的。

美國先進汽車技術能源事務部曾與美國汽車研究委員會聯(lián)手，從事有關汽車結構的先進材料、加工方法和裝配技術的開發(fā)項目，其重點之一就是汽車結構用復合材料的開發(fā)。20世紀80年代末，USCAR下設的汽車復合材料委員會也開展了此方面的研究。

最近德國Paderborn大學的O.Hahn等人提出“多材料輕量化結構”及“合適材料用在合適的部位”兩個概念，指出了車身材料的發(fā)展趨勢，即通過對多材料復合體系進行結構優(yōu)化，在改進汽車性能的同時，顯著減輕車身重量。當前，材料的組合以高強度鋼、鋁、鎂和復合材料為主。目前汽車中使用的復合材料形式主要有：金屬基復合材料、纖維層壓板、編織復合材料以及夾層板等。


圖4  ROHACELL在Lancer Evolution 8上的應用

基于復合材料的多材料輕量化應用的一個典型實例是道奇SRT-10。該型轎車采用了多種復合材料及多種制造工藝。其翼子板采用了玻璃纖維增強復合材料（反應注塑成型工藝），發(fā)動機蓋采用了玻璃纖維增強復合材料（SMC工藝），翼子板支撐面、擋風玻璃窗框和門板采用了碳纖維增強復合材料（SMC工藝）。

但是，基于復合材料的多材料輕量化尚未在汽車領域得到廣泛應用，主要原因是：

復合材料的加工工藝大多不能適應高產量的生產需求，因此需要在工藝上進行改進，以縮短目前復合材料部件的生產時間；

復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、縮短生產周期及實現(xiàn)質量控制的自動化；

原材料價格較高，影響了復合材料的大量應用；

目前能夠滿足新的報廢汽車法規(guī)的復合材料及工藝十分有限；

汽車用復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計程序，但該程序一般不能為復合材料所用；

還需要開發(fā)新的復合材料數(shù)字模擬，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果。

基于多材料結構體系的輕量化過程的最終目的是：在基于多材料多結構體系基礎上，實現(xiàn)模塊化制造和裝配，其中包括復合材料夾層結構。


圖5  ROHACELL在寶馬X5上的應用

PMI泡沫夾層結構的特點

夾層結構是一種多材料混合結構體系，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合材料，可以是層壓板，也可以是纏繞或編織成型的復合材料板。夾層結構傳遞載荷的方式類似于工字梁，上下面板提供面內的剛度和強度，承受由彎矩或面內拉壓引起的面內拉壓應力和面內剪應力，芯材提供面板法向方向的剛度和強度，承受壓應力和橫向力產生的剪應力，并支持面板，使其不失去穩(wěn)定性，并可較大幅度地減輕構件的重量。并且，由于芯材較輕，面板較強，從而能同時達到重量輕和性能好的要求。

復合材料夾層結構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，經過30多年的發(fā)展，目前已形成了一系列的產品?，F(xiàn)在市場上的PMI泡沫產品主要是德國贏創(chuàng)德固賽公司（前身為羅姆公司）生產的ROHACELL。

PMI泡沫是通過固體發(fā)泡工藝制作而成的，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樹脂預浸料等的復合材料夾層結構共固化工藝。該泡沫在高溫下具有優(yōu)異的耐蠕變性能，因而能夠應用于需要高溫固化的構件。經適當?shù)母邷靥幚砗?，PMI泡沫能適應190℃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構構件中。

PMI泡沫自身的優(yōu)勢結合復合材料層壓板，就可以構成結構效率高、具有高比剛度和高比強度的復合材料夾層結構。根據(jù)設計和工藝要求，通?？梢圆捎玫慕Y構形式有PMI泡沫夾層結構板和PMI泡沫夾層結構加強筋。

應用實例

近年來，ROHACELLPMI泡沫已在在汽車外飾件上得到了應用。

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行增強，如圖2所示。

此外，奔馳McLaren 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 51 IG被用作擾流板的夾層結構芯材，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)合上海同濟大學一起，就“采用復合材料設計和制造大型汽車覆蓋件”進行了一系列的探索和研究。其中，PMI泡沫夾心帽筋條結構的復合材料發(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)的金屬結構部件相比，二者分別減重37.7%和34.6%。在其開發(fā)過程中，通過采用最新的夾層結構帽筋條設計，以及樹脂轉移模塑工藝，實現(xiàn)了一步整體成型。該項目的成功使得汽車復合材料的概念不再是單純的短纖維增強復合材料（例如SMC、GMT），而是將纖維增強復合材料、設計與制造工藝相結合，并與其他材料相結合，實現(xiàn)了最終的多材料結構方案。

由上述實例可以看出，采用ROHACELL 泡沫芯材的夾層結構能大大減少汽車外飾件的重量。

總結

將PMI泡沫與其他材料及加工工藝結合，有利于汽車的輕量化發(fā)展。隨著材料輕量化技術，包括設計、生產工藝、裝配、連接及材料性能等的不斷發(fā)展和成熟，未來基于復合材料的多材料輕量化結構是汽車輕量化及汽車外飾件材料的發(fā)展趨勢。通過不同材料、結構和制造工藝的相互結合和補充，可以簡單方便地實現(xiàn)設計和制造的模塊化，以使所用材料和零件的功能達到最佳的組合。目前，汽車的輕量化技術還處于不成熟階段，在未來將有很大的發(fā)展空間。