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    西班牙技術(shù)中心將開(kāi)發(fā)熱塑性復(fù)合材料為汽車(chē)減重

    來(lái)源:中國(guó)合成樹(shù)脂網(wǎng) 2022-03-18 10:35:07

    據(jù)外媒報(bào)道,西班牙技術(shù)中心AIMPLAS獲得巴倫西亞地方政府資助,將開(kāi)展VETERIA21項(xiàng)目,為熱塑性復(fù)合材料開(kāi)發(fā)新的、更有效的轉(zhuǎn)化工藝,以便可替代電動(dòng)汽車(chē)電池的金屬成分。

    這些材料可確保大幅減輕車(chē)輛重量,從而延長(zhǎng)電池壽命。不僅如此,這些材料還可回收,因此符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)。而目前的鋰離子電池模塊由不銹鋼和鋁制成,外形大且重,占車(chē)輛重量的20%到30%。

    AIMPLAS可持續(xù)發(fā)展和未來(lái)交通集團(tuán)負(fù)責(zé)人Bego?aGalindo表示:“一般來(lái)說(shuō),金屬部件占汽車(chē)重量的73%。因此熱固性復(fù)合材料是電池外殼的輕質(zhì)替代品。但其可回收性和生產(chǎn)率不高,而熱塑性復(fù)合材料具有較高可回收性和生產(chǎn)率,可以作為熱固性復(fù)合材料的替代物?!?/p>

    熱塑性復(fù)合材料逐漸成為汽車(chē)減重主要材料。此外,該材料還在機(jī)械阻力方面具有優(yōu)勢(shì),且可適應(yīng)不同制造工藝、具有較短制造周期、能與其他材料結(jié)合,并具有可焊接性、易回收性和對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的適應(yīng)性。

    熱塑性復(fù)合材料的興起

    熱塑性樹(shù)脂和熱塑性復(fù)合材料已經(jīng)存在了一段時(shí)間,特別是對(duì)于短纖維應(yīng)用。但是,由于越來(lái)越需要在不損失結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的情況下增加輕量化,特別是在汽車(chē)工業(yè)中,熱塑性復(fù)合材料引起了新的關(guān)注。

    一個(gè)具體的例子是使用熱塑性復(fù)合材料來(lái)減輕車(chē)門(mén)內(nèi)部組件重量的潛力。實(shí)際上,一家日本大型汽車(chē)制造商最近開(kāi)始重新設(shè)計(jì)其內(nèi)門(mén)部件,采用熱塑性復(fù)合材料。可以相信,這種材料可以使門(mén)的重量減少近一半。

    熱塑性復(fù)合材料在復(fù)合材料工業(yè)中的成功將取決于開(kāi)發(fā)產(chǎn)品和有效工藝的企業(yè)。

    采用更多的熱塑性樹(shù)脂將不僅使汽車(chē)受益,尤其是由于新的商用飛機(jī)通常包含超過(guò)50%的復(fù)合零件。

    熱塑性復(fù)合材料很容易成為運(yùn)輸市場(chǎng)據(jù)點(diǎn)的原因很多。與其他材料相比,該材料制成的組件可以焊接,從而減少了對(duì)粘合劑的需求,并且可以包覆成型以生產(chǎn)具有卓越機(jī)械性能的先進(jìn)幾何形狀。

    熱塑性樹(shù)脂的普遍優(yōu)勢(shì)在于,它們可以無(wú)休止地軟化和重整,而不會(huì)顯著降低物理性能。熱塑性產(chǎn)品一旦達(dá)到其生命周期的盡頭,就可以將其熔融并重整以用于新的用途,從而減少了材料浪費(fèi)。從材料本身的物理特性以及不適合使用熱固性材料的潛在新應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)其他優(yōu)勢(shì)。

    在熱塑性拉擠成型成為主流之前,仍有許多研究需要完成,特別是因?yàn)榇蠖鄶?shù)生產(chǎn)方法都適合熱固性樹(shù)脂,因此必須加以調(diào)整。

    熱塑性樹(shù)脂顯示出巨大的潛力,可以生產(chǎn)易于回收的堅(jiān)固,輕巧的復(fù)合材料。盡管現(xiàn)在不是放棄久經(jīng)考驗(yàn)的熱固性復(fù)合材料的明智之舉,但還是要注意熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展,特別是在將可持續(xù)性放在首位的情況下。

    熱塑復(fù)合材料應(yīng)用于汽車(chē)輕量化配件

    復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用復(fù)合材料在汽車(chē)上主要可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板、車(chē)頂、行李箱、門(mén)板、底盤(pán)等結(jié)構(gòu)件中。碳纖維最初主要應(yīng)于賽車(chē)當(dāng)中,隨著車(chē)用復(fù)合材料技術(shù)地不斷成熟發(fā)展,現(xiàn)在也被廣泛地應(yīng)用于超級(jí)跑車(chē)和高價(jià)值民用轎車(chē)上。在商用車(chē)應(yīng)用上,也逐漸從重型卡車(chē)中,廣泛地延伸到大巴車(chē)和輕型小卡。

    1、主承載車(chē)身結(jié)構(gòu)件為了確保足夠的安全性能,在主承載車(chē)身結(jié)構(gòu)件上汽車(chē)廠(chǎng)商通常要選擇強(qiáng)度,剛性及耐沖擊性能均很高的材料用于制作主承力結(jié)構(gòu)件,這時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料就成為理想的材料選擇。環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性,質(zhì)輕高強(qiáng),與同體積的鋁合金構(gòu)件相比減重可達(dá)50%,耐沖擊,耐腐蝕,抗疲勞,?材料壽命長(zhǎng),此類(lèi)材料制作的主承載車(chē)身結(jié)構(gòu)件,不僅大大提高了汽車(chē)的安全性,而且降低了車(chē)重,減少了燃油消耗,提高了經(jīng)濟(jì)性,另外還改善了美觀(guān)性。

    2、次承力結(jié)構(gòu)件次承力結(jié)構(gòu)件主要包括:車(chē)門(mén),發(fā)罩,行李艙門(mén),前后杠,翼子板,擾流板等部件,其結(jié)構(gòu)大都為層合實(shí)體結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料三明治夾心結(jié)構(gòu)。三明治結(jié)構(gòu)特點(diǎn):蒙皮選用高強(qiáng)度高模量材料制作,承受較大的彎曲負(fù)荷;芯材選用一定剛度和強(qiáng)度的低密度材料,其抗剪切性能突出,可承受較大的沖擊載荷;膠結(jié)層將蒙皮和芯材連接在一起,承受剪切應(yīng)力;由于選用低密度芯材,重量會(huì)進(jìn)一步降低。

    國(guó)內(nèi)熱塑性復(fù)合材料的巨大市場(chǎng)

    隨著對(duì)材料的不斷探索,熱塑性復(fù)合材料市場(chǎng)需求增長(zhǎng)迅猛,美國(guó)復(fù)合材料制造者協(xié)會(huì)ACMA為此專(zhuān)門(mén)成立了一個(gè)復(fù)合材料增長(zhǎng)組,目的就是向終端用戶(hù)和熱固性復(fù)合材料制造商大力推廣和宣傳熱塑性復(fù)合材料,以此來(lái)讓熱塑性復(fù)合材料擁有更多的市場(chǎng)。在國(guó)外掀起熱塑復(fù)合材料的潮流之際,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)高性能熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用卻還處于“波瀾不驚”的狀態(tài),無(wú)論是制造商還是客戶(hù),似乎都還沒(méi)有正式進(jìn)入狀態(tài)。

    不過(guò),隨著熱固性碳纖維復(fù)合材料的競(jìng)爭(zhēng)趨于白熾化,一些制造商意識(shí)到了熱塑復(fù)合材料的巨大市場(chǎng),特別是其可回收特性符合當(dāng)今“保護(hù)環(huán)境,綠色發(fā)展的理念”。紛紛開(kāi)始嘗試用熱塑性復(fù)合材料來(lái)制造,想通過(guò)熱塑性復(fù)合材料打破發(fā)展瓶頸。挪恩復(fù)材在熱固性碳纖維開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上率先進(jìn)入高性能熱塑性碳纖維開(kāi)發(fā)的行列,高性能熱塑性碳纖維復(fù)材也由此引發(fā)了業(yè)界的關(guān)注。

    高性能碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料采用的樹(shù)脂基體在耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度方面都展示出普通熱固性樹(shù)脂難以比擬的性能優(yōu)勢(shì)。例如在航天、航空領(lǐng)域中使用的熱塑性碳纖維復(fù)合材料,其樹(shù)脂基體的Tg值須大于177,在機(jī)械強(qiáng)度方面,通常要求抗拉強(qiáng)度大于70MPa,抗張模量大2GPa,個(gè)別情況下要求能分別達(dá)到100 MPa和3GPa,另外,材料良好的韌性決定了更好的損傷容限和更輕的結(jié)構(gòu),這對(duì)于飛機(jī)控制表面和機(jī)身之類(lèi)的薄型結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)特別重要。在此情況下,只有高性能熱塑性碳纖維復(fù)材才能完成這樣的使命。

    不僅在材料本身的性能方面有更大的優(yōu)勢(shì),熱塑性碳纖維復(fù)材通過(guò)熔融實(shí)現(xiàn)重塑的特點(diǎn),也使其與熱固性碳纖維復(fù)材產(chǎn)生了差異:首先,熱固性碳纖維復(fù)合材料需要用緊固件或者膠粘結(jié)的方式實(shí)現(xiàn)部件之間或者與其它金屬件的連接,熱塑性部件卻能直接焊接在一起,省去了緊固件的重量和成本,這為碳纖維實(shí)現(xiàn)輕量化增加了有力的砝碼;其次只要熔融就可以重塑使復(fù)合材料的循環(huán)利用成為可能,雖然還沒(méi)有批量回收再利用的案例,但是熱塑性復(fù)合材料的再生性具備一定的理論基礎(chǔ)。

    例如,對(duì)熱塑性聚酰胺復(fù)合材料的再生粒料性能進(jìn)行了測(cè)量,把它們與新生等同物進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)它們?nèi)匀痪哂?5%的原始內(nèi)在性能,這為如何綠色環(huán)保地利用碳纖維復(fù)合材料提供了新思路;再者,這種固化方式能夠在相對(duì)更短的周期時(shí)間里生產(chǎn)出厚而復(fù)雜的制件,使熱塑性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比熱固性的生產(chǎn)效率提高了許多倍。

    目前國(guó)內(nèi)熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展有兩頭“攔路虎”,一是技術(shù),二是成本。據(jù)挪恩復(fù)材研發(fā)人員介紹,熱固性樹(shù)脂在固化前可以比較容易地轉(zhuǎn)變?yōu)榈驼扯葼顟B(tài),浸漬纖維不那么困難。而高端熱塑性復(fù)合材料不一樣,高性能熱塑性樹(shù)脂本身具更高的基體粘度,材料的流動(dòng)性不會(huì)像某些低粘度樹(shù)脂那樣好??梢哉f(shuō),大多數(shù)的高性能塑性樹(shù)脂都是難溶難融甚至不溶不融的,這就給復(fù)合材料的樹(shù)脂浸漬和成型加工帶來(lái)了挑戰(zhàn)。而且,加工溫度越高,在生產(chǎn)過(guò)程中樹(shù)脂越容易熱氧化或降解。因此,熱塑性樹(shù)脂的高粘度成為其成型最大的困難,這對(duì)生產(chǎn)設(shè)備也提出了更高的要求。


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