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節能減排已經成為全球汽車行業立求尋找和突破的課題

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  為了應對全球氣候變暖和能源危機,節能減排已經成為全球汽車行業立求尋找和突破的課題。汽車輕量化是最容易突破和最為有效的途徑。復合材料在汽車行業的應用實現了汽車輕量化。
  復合材料具有輕質高強、抗沖擊性能好、易于成型以及具有功能和性能可設計性等一系列特點,為實現汽車輕量化起到了積極作用。汽車行業發展經歷了從鋼材到SMC復合材料,從SMC復合材料到熱塑性LFT-D技術。
  LFT-D技術于1989年由美國復合材料制品公司(CPI)提出,并于1991年實現商業化生產?;谄浼夹g優勢,LFT-D的應用不斷增長,其技術水平也在逐年提升,尤其在2003年以后,LFT-D技術應用呈現了快速增長的態勢。
  目前,LFT-D技術采用的增強材料主要是玻璃纖維,少量采用天然纖維;基體樹脂以PP為主,目前80%的LFT-D制品為汽車零部件,主要產品有汽車前端模塊、腳踏板、儀表板架、座椅骨架、門模塊和底部護板等。采用LFT-D技術制造的復合材料汽車零部件具有如下優勢:
  1. 輕量化效果好。采用LFT-D技術成型的熱塑性復合材料比重只有1.1左右, 而且在設計零部件時可以進行合理設計。根據零部件的受力情況,可將材料設計成各向異性,將受力大的方向設計成高強度,受力小的方向可以降低其強度,達到充分利用材料的目的,進而實現減重。例如與傳統的金屬材料相比,LFT-D前端模塊可以減重30%~50%。
  2. 與金屬沖壓成形不同,LFT-D技術可以成型各種造型較為復雜的產品,因此在設計復合材料汽車零部件時可以將多個傳統部件集成在一起,形成模塊化。如圖4中的SUV車腳踏板,如果采用金屬和塑料制造,則包括螺釘和螺母在內該產品共有43個件;而采用LFT-D技術,可以設計成一個部件,進行一次成型,從而達到減少生產工序、降低生產成本并減輕重量的目的。
  3. 生產效率高。LFT-D技術采用了纖維增強熱塑性復合材料,其成型為物理加工過程,材料在模具中通過壓力擠壓而充滿模具型腔,再冷卻成型,沒有化學反應過程,因此成型周期短,最快可以達到30s。
  4. 與傳統的熱塑性復合材料相比,LFT-D技術省去了半成品的生產過程,從而節約了半成品的生產成本和物流成本,零部件的成本得以降低。
  5. 環??苫厥?。LFT-D技術采用的原材料是熱塑性材料,零部件達到使用壽命后可以回收重新使用,不會對環境造成污染。
  6. 安全性好。與傳統材料不同,LFT-D零部件的破壞不會突然發生,它將逐漸經歷部分纖維斷裂、應力在其他纖維間重新分布,纖維與基體材料之間出現界面損傷、基體材料開裂和纖維完全斷裂等一系列過程。在此過程中,產品不斷吸收能量,延滯了災難性破壞的突然發生。
  LFT-D技術的發展速度將會不斷加快。由于該技術對汽車輕量化起到的積極作用,目前汽車工業的快速發展以及能源危機和環境保護意識的加強,LFT-D技術在汽車行業的應用量將會逐步增大。另一方面,由于國內企業開始進行LFT-D生產線的開發與生產,因此必將使生產線成本及售價大幅下降,從而加快該技術的發展速度。
  LFT-D與單向織物板材復合成型技術也將會進一步發展,從而充分發揮復合材料各向異性的特點。單純的LFT-D制品基本接近各向同性,但很多產品的受力在各個方向上是有區別的,為了減少材料浪費,充分發揮復合材料的特點,可以   在LFT-D成型過程中鋪設單向連續纖維或織物,以提高該方向的承載能力。
  同時,可視外觀件的應用將會越來越多。目前LFT-D技術主要應用于汽車的的一些功能件和結構件的生產,只有少數歐美企業掌握了在外觀件上使用該技術。如何提高產品的外觀質量、達到可視效果將是今后的研究和發展方向。
  此外,該技術所需的原材料將會朝多樣化發展。LFT-D技術是采用長纖維增強熱塑性樹脂基體而形成的復合材料,如今市場化的產品主要是玻璃纖維增強PP。而有些研究機構也在研究天然纖維和碳纖維增強PA、ABS和PET等,相信隨著研究成果的應用,LFT-D技術中采用的原材料將出現多樣化,根據產品的不同要求,設計空間會更大,更充分地體現復合材料的特點和優越性。
  對2015年至2020年市場預測,全球長纖維熱塑性市場預計將以5.4%的年復合增長率實現增長。玻璃和碳纖維常結合PA和PP樹脂材料應用于生產長纖維熱塑性塑料,隨著汽車、消費品和工業產品需求進一步擴張,LFT應用前景廣闊。
  盡管全球經濟增長放緩,但汽車工業、航天領域保持穩定增長態勢,熱塑性塑料憑借輕量化、環??苫厥绽?,性能優越等優勢將迎來新一輪發展機遇。

文章來源:上海耀華大中新材料有限公司

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