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【技術帖】玄武巖纖維在汽車輕量化中的應用
發布時間:2019-05-15 閱讀次數:645 信息來源:復材網
汽車的誕生,給人類帶來很大的便捷,對人類社會的發展與進步起到了極大的促進作用。在現代社會,汽車成為目前人們不可或缺的出行工具。然而隨著汽車工業的不斷發展,全球汽車銷量急劇增加,給生態環境帶來負面影響,如能源緊缺、環境污染、資源枯竭等一系列問題。轉變傳統高能耗、高污染的經濟增長方式,大力推進節能減排,發展以低能耗、低排放為標志的低碳經濟,實現可持續發展成為未來的發展趨勢。
  隨著人類社會的不斷向前發展,人們對環保意識的增強,加上能源危機日趨嚴重,實現汽車輕量化以達到節能環保的訴求越來越高,優化車身結構設計、應用新型輕質材料等成為輕量化研究工作的主要目標。汽車材料是決定汽車好壞的重要元素,汽車材料的不斷更新換代是提高汽車質量的保障,實現汽車輕量化的主要途徑之一是新材料的應用。玄武巖纖維(圖1)屬于無機纖維,是采用天然玄武巖礦石經高溫熔融拉制而成,是我國重點發展的4大纖維之一。美國德州的CBF工業聯盟指出:玄武巖纖維是碳纖維的廉價替代品,具有一系列優異性能,最為可取的事因為它取自天然礦石而無任何添加劑,是目前為止唯一的無環境污染的不致癌的綠色健康玻璃質纖維產品。玄武巖纖維在強度、耐高溫、耐腐蝕、隔熱、隔音等方面性能優越,是節能環保的新材料。未來這種材料有望在汽車領域大幅應用。本文針對玄武巖纖維在汽車輕量化技術中應用而展開。
 
 
  一、輕質材料在汽車上的應用
  汽車中大量采用輕質材料可以有效減輕汽車的質量。
  1.高強度鋼
  這些年,高強度鋼在汽車上的應用范圍有著逐漸擴寬的趨勢,并成為汽車工業發展最快的輕質金屬材料之一,占有相當比例的市場份額。它的抗碰撞性能、耐腐蝕性能在汽車的車身、底盤、懸架和轉向系零件上應用。2001年,奇瑞汽車股份有限公司與寶鋼集團有限公司合作,在樣車上應用高強度鋼板262kg,減輕車身12%,對于汽車輕量化起到良好的作用。板材和管材作為高強度鋼的2種形式,很好的取代了普通鋼、一般鑄鐵在車身零件的應用。然而,我國在高強度鋼在汽車上的應用,自主開發能力不足,使得新產品的開發還得依賴于國外的先進技術和設備,品種單一。我國高強度鋼在汽車中的應用范圍有待進一步擴大。
  2.有色金屬
  目前,在車身系統、底盤和動力總成系統采用鋁合金和鎂合金作為汽車車身輕量化材料背光方應用。其中鋁在地殼中的含量約占8.13%,算是金屬元素中含量最多的一種。據過汽車生產行會統計,在2000年以前,鋁合金在汽車上的用量呈增長的趨勢,幾乎90%的汽車在用。鎂雖是最輕的金屬材料,但價格遠遠高于鋁,生產技術在一定程度上受限制,在汽車上的應用相對較少。福特公司曾經與一家加拿大鋁業公司生產一輛AIV(圖2),其使用鋁合金270KG,比傳統鋼生產的汽車輕了200KG。鋁合金的成本高、工藝焊接性能很差,時期不能大量應用在汽車上。
  3.非金屬材料
  其他非金屬材料如塑料,由于質量輕、耐腐燭、易加工,是汽車工業最有發展潛力之一。汽車塑料的應用經歷了從內飾件向外部件不斷擴展的發展歷程,既儀表板、雜物箱蓋、頂棚、車門內板、副儀表板、座椅及各類護板等內裝件,又車身外板、后阻流板、保險杠、車輪罩、前后翼子板、發動機進氣管和氣門室罩蓋等外部件。塑料為汽車輕量化的發展奠定了基礎,但是從保護環境和再利用的角度考慮,塑料在汽車上的應用是擺在世人面前的一大難題。
  二、玄武巖纖維在汽車上的應用
  玄武巖纖維是玄武巖石料在1450℃-1500℃熔融后,通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維,強度與玻璃纖維相當。純天然玄武巖纖維的顏色一般為褐色,有些似金色。玄武巖纖維是一種新型無機環保綠色高性能纖維材料,它是由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵和二氧化鈦等氧化物組成的玄武巖石料在高溫熔融后,通過漏板快速拉制而成的。玄武巖連續纖維不僅強度高,而且還具有電絕緣、耐腐蝕、耐高溫等多種優異性能。此外,玄武巖纖維的生產工藝決定了產生的廢棄物少,對環境污染小,且產品廢棄后可直接在環境中降解,無任何危害,因而是一種名副其實的綠色、環保材料。我國已把玄武巖纖維和碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯列為重點發展的4大纖維,實現了工業化生產。玄武巖連續纖維已在纖維增強復合材料、摩擦材料、造船材料、隔熱材料、汽車行業、高溫過濾織物以及防護領域多個方面得到了廣泛的應用。
 
 
  1.玄武巖纖維在汽車軟質儀表板骨架的應用
  汽車儀表板骨架是集功能性、安全性、舒適性與內飾性融為一體的汽車常用零部件。它的主要作用是作為駕駛室中安裝各種指示儀表和點火開關等的一個總成,能夠及時的讓駕駛室中安裝各種指示儀表和點火開關等的一個總成,能夠及時的讓駕駛員掌握車輛行駛狀態。同時還對空調系統、電子音響系統,燈光系統等進行汽車內飾件之一,消費者對其在舒適、美觀、輕量化、低氣味等方面提出了更高的要求。今天,汽車儀表板骨架到底應該選用何種材料也有了一個相對較好的答案。
  用玄武巖纖維復合材料做軟質儀表板骨架,其強度會高、彎曲模量高、流動性更好,耐沖擊、耐疲勞、防腐性能好,生產周期短、生產率高,設計自由度大,易于實現復雜制件一次成型,同時儀表板設計厚度也可相應減薄,質量相對減輕,一般可減輕質量約25%左右。汽車軟質儀表板骨架要求材料耐濕、耐熱且剛性好、不易變形等,玄武巖纖維復合材料完全滿足要求,它的韌性提高了120%,剛性提高了60%,熱變形溫度提高了15℃,并具有更好的耐熱性。
  關鍵還解決了以前多個部件儀表板組合件,變成現在整體的模塊。據韓國現代車企目前研究表明,把儀表板骨架選用玄武巖纖維通過真空吸塑工藝,使儀表板的厚度從3.3-4.2mm減小到2.5-2.9mm,使儀表板的質量從3.2KG降至2.3KG,還避免了司機和副駕駛人員在不系安全帶的時候免遭到沖擊傷害。
  2.玄武巖纖維在汽車前端支架的應用
  前端模塊起著連接汽車前端和功能集成的作用。一般,前端模塊可以不包括6大部件,即前端支架(系統集成的平臺)、冷卻空調系統(包括動態進氣格柵)、信號和照明系統、車身保護和外觀造型結構系統、傳感器和駕駛輔助系統以及行人保護系統、為了更好的設置、都是由前端模塊支架的功能決定的。所以,前端支架由玄武巖纖維和聚丙烯(pp)通過整體塑成型得到的支架,特性是耐腐蝕、抗沖擊、尺寸穩定性、有較高的機械性能、最重要的是質量更輕,減重達20%-40%,并提高了裝配效率。目前各大自主品牌車企都在積極研發當中,使之成為汽車工業的主要原材料之一,尤其在需要承受更高載荷的較重型汽車上使用效果更好。
  3.玄武巖纖維在汽車車門模塊的應用
  車門的組成結構是由門內板總成和門外板總成2大模塊組成,以前汽車車門用工程塑料接近10%,也是實現輕量化的一種重要途徑之一。采用玄武巖纖維增強復合材料制造的車身與鋼制車身相比,可實現質量減輕25%的目標。它的強度和抗蠕變性有明顯提高,還減小了熱翹曲變形量,增強車門的整體密封性能。玄武巖纖維增強復合材料打破了集成化車門的集成高度,同時也促進了車門的模塊化發展。朗盛采用混合注塑成型工藝,將Tepex直接反向注入注塑模具中。為了工業生產中應用,一次性注塑成型工藝完全取消了成形模具的使用,并成功地完成了功能集成,為企業節約了成本。
  4.玄武巖纖維在汽車車身的應用
  世界上第1輛汽車生產于1886年,距現在已有一百多年了,客戶對汽車的輕量化要求越來越高,然而汽車的車身是決定輕量化的首要條件。玄武巖纖維的強度和剛度足以滿足汽車車身架構的需要,完全可以充當汽車覆蓋件的無機非金屬材料,在減輕汽車重的同時,還有著良好的防撞性能。此外,加工的零部件整合、模塊化,安裝成本低且投資小,有效地解決生產商為傳統車身噴涂和環保處理等成本。2009年,日內瓦車展德國EDAG車廠推出全新一款看似大號松花蛋的Light Car輕型概念車(圖3),它使用玄武巖纖維的材料做車身,比選用玻璃纖維材質做車身的汽車減少了30%的質量,還可以100%回收利用,對環境的污染降至最低。據說,它還可以在-260~820℃的環境下使用。這輛概念車的動力由輪內電動馬達提供,車身內部攜帶的鋰離子電池,加上車身質量輕,有最大150km的續航能力。
 
 
  愛達克車輛工程實驗室研究表明,玄武巖纖維增強材料車身重516kg,而鋼制車身為820kg,大大提高了能源利用和駕駛性能。一款由意大利Roller Team房車公司設計的環保概念房車Triaca230在德國房車展上首次亮相。Triaca房車代表的是“通過技術減少對環境的影響的自行式房車”,通過環保設計的核心材料-玄武巖纖維墻板,使其質量減少了40%,Roller Team房車公司的宗旨是通過生態友好型設計來減少質量和對環境的影響。
  5.玄武巖纖維在汽車彈簧的應用
  汽車經常用鋼板彈簧安裝在汽車懸架上,目的是起到減震的作用。由于卷耳與板簧端部通過鉚釘鏈接,這種工藝生產工序復雜,生產效率低,相應產品成本較高,卷耳與板簧鏈接部強度較低,板簧長期工作,會使用卷耳與板簧之間的連接部容易出現疲勞折斷,縮短了鋼板彈簧的壽命,整個板簧剛度較差,承載力過大時易出現彎曲變形。為了解決以上問題,吉林通鑫玄武巖科技有限公司生產了玄武巖纖維板彈簧,這個屬于輕型板簧的強度和剛度都很高,只有3KG,彈性模量在60多萬次。普通轎車上現有的鋼板彈簧質量就可以達到10kg,是非常重的,彈性模量在15萬次。廠家透漏,他們在已經與一家德國一家汽車企業開展了研發等合作,其生產的零部件已經裝上試驗車,目前表現良好。
  6.玄武巖纖維在汽車消聲器材料的應用
  降低發動機的排氣噪聲,并使高溫廢氣能安全有效地排出,消聲器有著重要的作用。消聲器作為排氣管道的重要組成部分,承擔著排氣暢通、阻力小及足夠強度。在550~780℃高溫排氣的條件下,消聲器能保證在汽車規定的行駛里程內,不損壞、不失去消聲效果。這就對制作汽車消聲器的吸聲材料要求不僅具有吸聲功能,還要具有突出的耐高溫性。
  消聲器是解決汽車噪聲的主要手段。在消聲器的生產工藝和結構方面生產商都有成熟的方法,未來的幾年消聲器的原材料成為行業技術的發展趨勢和著眼點。目前傳統制作消聲器的原材料鋼材的價格在不斷攀升,由于制作消聲器的競爭激烈,使它的價格在不斷下降,整車廠對于配套的消聲器價格也要求不斷降低,這就使消聲器企業的單位產品利潤有所降低,對于消聲器企業是個不小的考驗。所以,研究人員在不斷尋找新的材料來代替以前常用的鋼鐵材料。
  玄武巖纖維的耐熱性比耐高溫的石英玻璃纖維都好。在450℃條件下,其斷裂強度仍保持在80%左右;在350℃的條件下,其抗拉強度能保持75%以上。這表明連續玄武巖纖維具有完美的耐溫性,與其他纖維相比其耐熱氧化性能更加明顯,成為耐高溫材料使用在長期處于低溫-185℃液氮介質作用后,其強度幾乎不發生變化,足以證明它是有效的低溫絕熱材料。玄武巖纖維隔音效果好,可用作隔音材料,玄武巖纖維材料密度15kg/m3;厚度30mm;隔離壁面與材料的間距0.0mm的性能數據為:頻率范圍為1200~7000Hz;法向吸音系數0.86~0.99。
  7.玄武巖纖維在汽車用摩擦增強材料的應用
  增強纖維作為汽車摩擦材料的一個重要組成元素,摩擦材料的磨損性能的好壞取決于纖維。鋼纖維、礦物纖維、玻璃纖維、有機纖維及耐高溫聚合物纖維等是當下汽車用摩擦增強材料的主要纖維。然而在使用以上纖維時,都在不同程度上的存在一些問題,例如石棉粉塵對環境污染嚴重,同時是人類癌變的誘導素之一,現在為了人類的健康已被限制使用;鋼纖維有腐蝕性,易粘著或損傷對偶材料,噪聲高;碳纖維生產的增強材料性能優異,但是其生產工藝復雜及成本過高,不利于廣泛推廣;其他的纖維增強材料,有的浸潤性不佳、有的污染環境。
  玄武巖纖維有著強度高、熱穩定性好、不易損傷對偶、磨損性好、摩擦系數穩定等特點,而且價格適中。玄武巖纖維的材料密度2.6g/cm3,其拉伸強度比玻璃纖維高,且玄武巖纖維增強摩擦材料的耐磨性高于石棉纖維、鋼纖維和玻璃纖維。通過對玄武巖短切纖維增強制動片的性能檢測,認為其具有高溫摩擦系數穩定、熱衰退小和制動噪音低等特點,適合作為摩擦材料的主增強材料。
  傳統汽車制動器容易出現的“熱衰退”現象,玄武巖纖維增強材料可以有效地解決這一問題,同時減少交通事故的發生。西班牙GALFER公司通過實驗驗證并開發以玄武巖纖維作為主增強纖維來生產的1052系列摩托車剎車片。因此,玄武巖纖維應用于摩擦增強材料既有利于增加汽車摩擦材料的使用壽命,提高摩擦材料耐高溫性,又能解決當前摩擦材料的存在的許多不好因素。通過玄武巖纖維制成的耐高溫結構復合材料,不僅成為汽車制動器、離合器等磨擦增強材料,還為智能汽車的產業化助力,改善汽車的安保性能。
  三、結語
  綜上所述,在當下環境污染防治力度監管下,加強玄武巖纖維這種新材料在汽車上的應用,不僅能三、結語綜上所述,在當下環境污染防治力度監管下,加強玄武巖纖維這種新材料在汽車上的應用,不僅能問題,加強政府扶持和社會投資力度,努力提高汽車輕量化技術水平。
 
來源:汽車材料網
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