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

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(cè)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(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)點日益得到廣泛應(yīng)用。

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)崿F(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。

可以看出，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、門柱護板、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60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(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O.Hahn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，指出了車身材料的發(fā)展趨勢，即通過對多材料復(fù)合體系進行結(jié)構(gòu)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(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）。

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行改進，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，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。

基于多材料結(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?，F(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(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?shù)母邷靥幚砗?，PMI泡沫能適應(yīng)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(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，ROHACELLPMI泡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(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37.7%和34.6%。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。

總結(jié)

將PMI泡沫與其他材料及加工工藝結(jié)合，有利于汽車的輕量化發(fā)展。隨著材料輕量化技術(shù)，包括設(shè)計、生產(chǎn)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(fù)合材料的多材料輕量化結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和制造工藝的相互結(jié)合和補充，可以簡單方便地實現(xiàn)設(shè)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(shù)還處于不成熟階段，在未來將有很大的發(fā)展空間。