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展望碳纤维:用于飞机与汽车
商业情报公司GBI Research预计宇航工业对碳纤维复合材料的需求量巨大。新型大客机,如空中客车A380和波音公司的787梦幻客机,越来越多地采用先进复合材料来减轻重量,从而降低燃油消耗量。
例如,仅A380上的碳纤维增强塑料中央翼盒就可使飞机减轻重量达1.5 吨。同时,近一半的787梦幻客机机身由碳纤维增塑料和其他复合材料制造,与传统铝结构相比,重量平均减轻20%。
干式碳纤增强:满足未来飞机成本和制造速度要求
全球主要复合材料生产商之一Hexcel公司为航空部门开发的新产品在JEC Europe 2015展会(世界上最大的复合材料贸易展会之一)上荣获宇航类JEC创新奖,获奖产品是由其HiTape干式碳纤维增强材料制造的自增强飞机机身面板样品。这种创新产品的主要价值是展示了以经济的高性能材料采用高度自动化工艺开发和制造飞机主体结构的可能性。
如上所述,HiTape先进干式碳纤维增强材料设计用于以极高的沉积速度自动化制造型坯。之后,采用一种经济的非热压罐工艺将Hexcel的RTM6树脂注入型坯中。由HiTape增强材料和Hexcel公司HexFlow熔融树脂制造的部件厚度可达30mm,纤维体积含量为58-60%,机械性能与主体结构预浸料坯一样高。
碳纤复合:将成汽车材料主流
汽车行业也在寻找轻量解决方案来满足更严格的燃油消耗标准要求。这方面,玻璃纤维增强塑料仍是共同特点,但碳纤维增强材料的开发不能忽视。
“展望碳纤维:用于汽车的路线图”报告的第一作者Lux Research Associate公司的Anthony Vicari表示,碳纤维增强复合材料必须持续创新,解决目前由于材料成本高而只能用于对价格不敏感的宇航和体育用品等领域的问题。更多公司的参与合作是有益的。
2月份,著名汽车工程公司Ricardo宣布与宇航复合材料供应商Albany Engineered Composites (AEC)公司合作,为汽车行业提供复合材料车身、底盘和其他结构件。
Ricardo公司运营总监Mark Garrett表示:“由于业界专家预计碳复合材料的成本会大幅下降,同时相关制造周期时间不断缩短,使其成为未来全球轿车平台结构组件极具吸引力的解决方案。”
标致运动前桥和后桥
在JEC Europe 2015展会上,Hutchinson SA公司展出了与标致运动(Peugeot Sports)公司以及道达尔(Total)公司联合开发的前桥和后桥,该产品采用符合宇航性能标准要求的第三代复合材料。这些复合材料部件(用于混合动力Peugeot 208FE车型中)集成了四种功能:悬架(省去了弹簧)、车轮导向(不再需要V形架)、侧翻控制以及减轻路面振动和降低滚动噪声。
新解决方案大幅减轻了悬架功能装置的重量,减轻了13.6kg。这符合汽车制造商为满足欧洲法规减轻重量的策略,欧洲法规规定到2020年<90g CO2/km,以后要求可能会更严格。
Hutchinson公司复合材料技术中心主任Bertrand Florentz表示,就结构方面的优点而言,部件结构更加紧凑,利用新技术可采用一步组装工艺,取代常见的12道工序。
在碳纤维增强复合材料时代到来之前,玻璃纤维增强塑料仍是当前普遍采用的成熟轻量解决方案。
全球首个涡轮发动机
据称一种新型混合动力轿车将配备世界上首个集成有增压空气冷却器(CAC)的高耐热塑料进气歧管(AIM),由40%玻璃纤维增强Stanyl Diablo OCD2100制造。
这种轻量跑车配备同步电机和涡轮增压1.5L汽油发动机组成的混合动力装置,采用极高的涡轮压力,因而内部空气温度极高。
为了冷却气流,发动机开发商采用了一种涡轮增压系统中的新技术:一种液体冷却增压空气冷却器,该装置集成到进气歧管上,相比同等空气-空气冷却器,具有较高的效率。在进气歧管上集成液体冷却增压空气冷却器缩短了导风管长度,改善了发动机响应特性,可以达到更高的性能,同时又能满足最新的废气排放要求。
采用这种设计时,连续使用条件下内部空气温度高达220℃,最高温度达250℃,只有Stanyl Diablo可满足要求。与传统铝部件相比,重量最多可减轻40%。
进气歧管/液体冷却增压空气冷却器由几个模塑件采用热气焊接方法组装制成,具有极高的耐压力脉冲负载性能和良好的尺寸稳定性。另外,尽管材料中含有大量的玻璃纤维,仍具有良好的表面质量。
量产电动车采用长纤维增强热塑性塑料部件
BMW i8电动车(EV)的后消声器罩由朗盛公司分公司Bond-Laminates的Tepex复合材料制造。其采用长纤维增强热塑性塑料直接加工(DLFT)技术,由长玻璃纤维粗纱增强聚丙烯(PP)模塑配混料制造。由Tepex dynalite 104-RG601制造的嵌件用作表面层。
Bond-Laminates公司复合材料专家Harri Dittmar解释说:“其在高温下具有高刚度,所以能保证在后消声器高温环境中罩不会变形或破坏。此外,我们的复合材料提高了组件在低温条件下的强度和耐冲击性能。”
Tepex嵌件厚度为0.5mm,由PP基体和体积含量为47%的连续玻璃纤维粗纱作为单层织物制造。
Dittmar说:“由于采用了该嵌件,室温下罩的刚度提高到原来的4倍,在消声器的工作温度下提高到原来的6倍。”
朗盛公司表示,在DIN EN ISO 6603-2渗透测试中,所用Tepex dynalite材料在室温下耐冲击强度是PP DLFT模塑配混料的8-9倍。
Dittmar强调说:“在-30℃的温度下,耐冲击强度甚至是PP DLFT的10倍,这些条件下发生撞车事故时,PP DLFT会破碎,而我们的Tepex不会破裂。”
他表示,Tepex也是由其他热塑性模塑料配混料和成型材料制造的局部增强部件的替代材料。
例如,Tepex增强DLFT PP材料的机械强度与玻璃纤维毡和玻璃纤维增强(GMT和GMTex)PP热塑性塑料体系的强度相当。
Dittmar说:“在这种情况下,Tepex与DLFT工艺相结合具有大幅降低成本的潜力,例如,在制造车身下部组件时。”
公司称,PP、轻量增强热塑性塑料(LWRT,由于具有高吸音特性,所以用于制造车身下部面板)还可采用Tepex表面层大幅提高刚度。
踏板车的轻量结构组件
利用苏威公司的一种轻量解决方案成功设计了一种新型电动小型摩托车Bud-e,该产品与法国城市机动车公司Kleefer联合开发。
Kleefer设计了一种配备特种折叠系统的小型电动摩托车。Bud-e的手柄要承受高达100kg的重量,同时结构又要尽可能紧凑。
小型摩托车的新型部件由苏威公司用于选择性激光烧结(SLS)技术的玻璃纤维增强PA6粉制造,据称是业界首个来自苏威Sinterline Technyl系列的材料。

此外,还有其他四个部件由Sinterline制造,包括小型摩托车的前、后轮罩拱和用于遮盖结构件和电池的前罩。
苏威公司表示,采用该技术可制造全功能部件,同时具有极高的设计自由度,与铝部件相比可大幅减轻重量,降低成本。
除了材料本身外,采用了新型粘合剂和树脂,以利于复合材料部件的成型。
Henkel公司的树脂有助于缩短注塑时间
在JEC Europe 2015展会上, Henkel公司展出了采用其聚氨酯(PU)基体树脂Loctite MAX 2制造的纤维增强复合材料板簧。该部件用于新型Volvo XC90的底盘中。Volvo XC90是一款高级跨界SUV,其创新后桥概念作为其他型号系列的平台。
在树脂传递模塑(RTM)过程中,PU基质树脂Loctite MAX 2由于粘度低因而可快速充填模具,同时快速、轻柔地浸渍纤维材料,因而缩短了注塑时间。
用于汽车轻量复合材料的新型Acrodur粘结剂
在JEC Composite Europe 2015展会上,BASF公司将推出一种新型粘结剂Power 2750 X,用于汽车轻量产品如内饰车门板或搁板中天然纤维复合材料的生产。
作为甲醛类反应性树脂的低排放替代材料,Acrodur Power 2750 X可赋予天然纤维复合材料高机械稳定性。同时,产品具有热塑性塑料加工性能,而且与基于聚丙烯的传统热塑性塑料粘结剂不同,其在轻量组件中可以使用高达
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