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56net亚洲必赢下载,随着油价的不断攀升,汽车的节油问题成为消费者和汽车厂家越来越关注的问题。国内汽车界、材料界专家认为,实现汽车轻量化,是节省能源的最有效途径之一,也是国际先进汽车制造商所追求的重要目标。

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据估计,汽车重量每减轻10%,就会节省6%~8%的燃料。“复合材料作为轻质高强、以塑代钢的重要材料将在汽车轻量化技术推进过程中成为主流材料。”中国不饱和聚酯树脂行业协会副秘书长赵鸿汉认为,采用铝、镁、钛等合金、工程塑料和复合材料等,用以制造汽车车身、底盘、发动机等零部件,可以有效地减轻汽车自重,提高发动机效率。

复合材料应用于汽车行业最早始于1953年。55年来,复合材料在汽车行业中的应用保持着持续增长的发展势头,并且这种发展趋势还将继续。复合材料在汽车行业中的用量之所以会持续增长,是因为它具备了许多优异的性能,如:强度高、重量轻和耐腐蚀。此外,与铝材和钢材相比,其加工成本更低、设计灵活性更强,且更容易成型。总之,复合材料是汽车行业替代金属材料的一个很好的可选项。然而,事实上,汽车制造领域其制作材料并没有完全直接从金属材料转换到复合材料,尤其在大批量生产的汽车方面,复合材料的应用还很有限。这是因为,有许多和复合材料使用相关的技术问题仍然没有很好地得到解决,其中包括准确的材料定性、生产、油漆、维修、与金属材料的连接以及回收等问题。尽管近年来世界上复合材料的新材料、新工艺和新技术不断涌现,从而在很大程度上使上述问题得到了改善,促进了复合材料在各类汽车中的广泛应用,但不可否认的是,复合材料在汽车上的广泛应用、特别是在中国汽车行业中真正意义上的广泛应用,仍然存在应用技术方面的各类问题,需要我们去关注、研究、探讨和实践。为此,本文将围绕汽车复合材料的涂装、连接、维修和回收等四大应用技术问题进行探讨,以期抛砖引玉。汽车复合材料的涂装在汽车工业中,车身的外表油漆质量是整车质量最重要的指标之一,因为车身油漆表面不仅起到保护车厢不被腐蚀的作用,而且对美化外观有着十分重要的影响。因此,尽管汽车主机厂承认复合材料与传统的金属相比具有种种优点,但是他们对复合材料经喷涂后的表面是否具有同金属表面一样的质量,仍持保留态度。事实上,复合材料在车身面板应用中遇到的一个最大挑战就是:复合材料经涂装后产生的瑕疵。现以在车身面板方面使用最多的片状模塑料SMC部件为例进行分析。SMC车身部件在涂装后,一般会产生很多的表面瑕疵,如:针眼、气孔、裂纹和气泡等,尤其在车身面板的边缘区域,气泡问题较为严重。为了弥补这些缺陷,减少不合格产品率,提高部件的表面质量,目前国内生产厂家主要采用大量的涂装后修补手段来加以改进,例如,在破泡、打磨、填腻子和抛光后,再按通常的涂装工艺进行表面再涂装。其结果是,虽然减少了不合格品率,但增加了大量的后修补工序和再涂装工序,从而使生产成本大幅上升。另外,也限制了SMC在A级车身面板上的应用。通常,SMC车身面板在涂装后产生表面油漆瑕疵和起泡的原因,除材料本身的原因外,绝大部分要归因于基质中的微小孔隙和微裂纹,而这些微小孔隙和微裂纹常常是在生产及搬运的过程中,因不注意人为形成的。例如,从部件的模压到脱模再到除边的过程,以及从部件的包装到运输的过程中,由于操作不慎导致部件边缘处产生许多微裂纹。正是这些看似微不足道的微小孔隙和微裂纹,在油漆喷涂的过程中,会积聚空气中的水分和油漆中的挥发性溶剂。当油漆后的SMC部件通过烘箱高温烘烤时,水分和溶剂膨胀蒸发变成气泡逸出,造成已喷完漆的部件表面起泡或气泡破裂变成气孔、针眼等油漆瑕疵。就SMC部件在涂装后产生表面瑕疵的问题,目前国外复合材料行业主要的解决办法是消除微孔隙和微裂纹,以从根本上杜绝油漆的表面瑕疵,从而收到了很好的效果。其措施主要包括以下几个方面:1、生产高强度、高韧性SMC树脂近年来,美国AOC公司和Thyssenkrupp
Budd 公司联合开发出了新的SMC树脂Atryl
TCA。这种SMC树脂强度高,生产出的部件可减少50%的表面波痕,并增加了69%的韧性,从而显著地阻止了在脱模过程中及脱模后产生微裂纹的可能性,即使在重要的边缘区域也不会产生。2、加强模压工艺控制,促进模具技术进步通过改变SMC片材的加料方式和片材的铺覆位置,增加材料的流动距离,以及在闭模过程中确保材料的均匀位移等措施,以达到减少SMC部件孔隙量的目的。另外采用PLC、
NCN控制的复合材料压机,对不同部件的模压工艺进行对应编程,以实现模压工艺控制;采用激光定位仪对材料铺覆进行正确定位等。对于大型或复杂零部件,采用真空辅助排气模具,以在真空条件下进行模压成型,从而可显著降低甚至消除SMC多孔性缺陷。3、开发新型底漆涂料和新型涂装工艺2003年,BASF公司针对SMC“油漆气泡”难题,推出了DynaSealTM
紫外固化封孔剂,这种技术使得SMC部件在喷漆烘干前,通过紫外引发聚合反应对SMC表面进行封孔。在接下来的喷漆油漆固化中,这层紫外固化的封孔剂层可阻止SMC基体中吸收的挥发物逸出,从而避免了气孔的产生。另外一种方法是模内涂层(IMC),即SMC在模具内部完全固化后,注入一层液体的涂层材料,这层涂层材料在SMC的表面固化并填满所有空隙,同时提供一层类似底漆的表面,防止了油漆气泡的产生。4、文明生产,文明搬运SMC部件产生微裂纹,很大程度上是在部件从脱模到除边的过程中,以及从包装到运输的过程中,因不文明的生产和搬运方式而造成的。因此,加强文明生产和文明搬运的教育至关重要。目前,国外己普遍实行了“产品不着地”的生产方式。通过大力推广零件专用周转箱的物流形式,减少了搬运次数,避免了零件之间的相互碰撞,以杜绝人为因素造成的微裂纹。以上介绍了国外从新材料、新工艺和新技术等方面着眼,从根源上解决汽车复合材料在涂装方面不尽人意的缺陷的方法。这些方法消除了限制复合材料大规模应用的障碍,使复合材料车身面板能够达到或超过传统的钢铁材料的油漆质量。图1所示为涂装生产线中的SMC后厢盖外板。汽车复合材料的连接和固定随着汽车复合材料应用的日益广泛,汽车复合材料部件之间的组合装配以及复合材料部件与邻近金属零部件的连接固定的问题日益突出,汽车行业中传统的金属零部件之间的连接方式已不能适应客观应用的需求。因此,有必要了解和不断改进汽车复合材料的连接和固定方式,并进行合理选择。根据国外的成熟经验,汽车复合材料连接固定的方式主要有3种,包括:机械紧固、粘结剂粘接和焊接/熔接。“机械紧固”使用的是铆钉和螺栓,是最普及也是最容易理解的一种连接方式。对汽车行业来说,机械紧固有许多不足之处,如:重量增加、应力集中、部件之间的交迭、高公差和电蚀性等。但是,机械连接不需要对表面进行处理或后续的抛光,这样更便于重复拆卸。相对而言,机械紧固对环境的影响不很敏感。相对于机械紧固,“粘结剂粘接”的方法具有以下优点:减轻结构重量,外观平整光滑,改善疲劳强度,适应性强、最适合薄壁部件的连接,粘接工艺简单,以及可缩短生产周期等。但是,粘结剂粘接也存在一些缺点,如:零部件的工作温度范围不高;粘接质量易受不同因素的影响,产品性能的分散性较大;没有可靠的检验方法;粘接面的表面处理和粘接工艺过程要求较严;需要专用的加热加压处理粘接工装等。因此,在一些重要的部件和连接位置,往往会采用粘结剂与某一种机械紧固的混合连接固定方法,既充分利用了粘结剂的优点,又确保了连接部位的足够强度和可靠性。“焊接/熔接”主要应用于热塑性汽车复合材料部件,其主要优点是:良好的机械性能、连接处的耐用性、加工时间短、易于在线检测以及部件表面处理要求低等。目前,用于热塑性汽车复合材料的焊接/熔接方法主要有3种,即超声波焊接/熔接、电感应焊接/熔接和电阻焊接/熔接。“焊接/熔接”方法的不足之处在于:不易拆卸、需要添加导电性填料、需要使用金属网,以及可允许的碳纤维含量很低等。总之,上述3种汽车复合材料的连接固定方式各有优缺点,分别适应不同的应用场合。相对而言,粘结剂粘接的连接固定方法最有发展潜力。随着粘结剂向着功能性不断提高、具有双重效力以及绿色环保方向的发展,粘结剂粘接的连接固定方法正日益为汽车复合材料工业所重视、接受并盛行起来。限于篇幅,本节汽车复合材料的连接和固定,主要讨论粘结剂粘接的连接固定方法。1、
粘结剂粘接的连接固定方法的优点近年来,由于高性能结构粘结剂的出现,使得采用粘结剂粘接的连接方式不断受到人们的认可。作为一种最有发展潜力的连接固定工艺,它有许多突出的优点,包括:可以根据具体的设计要求(如防撞击性能)来决定粘结剂的机械性能;粘结剂的超抗疲劳和耐腐蚀的优点可以延长产品的使用寿命;粘结剂具有很好的密封性;将两种材料或结构粘接在一起,可以获得比较光滑的表面,具有造型设计上的优势;通过整个粘接区域,来分散部件承受的负荷,从而避免了局部最大应力的集中;粘结剂填充空隙的特点可允许部件有一定的公差;可对粘结剂的硬度进行调整,以优化整个产品的硬度。2、
常用结构粘结剂的种类通常,以环氧树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸酯树脂为基础的粘结剂是常用的三大类汽车复合材料结构粘结剂,它们各具特点,使用时应针对不同的材料和要求进行选择。环氧基粘结剂对复合材料、热固性塑料和金属的粘接性极好,其强度、挠度和弹性都很高,且固化过程收缩性最小。该类型的粘结剂分为单、双组份两种。单组份的环氧粘接剂要求热固化,应用条件相对苛刻。聚氨酯基粘结剂对绝大部分的复合材料和塑料的粘接性极好,对金属的粘接性较好。其机械性能较宽泛,从刚性到挠性均可。同时,该粘结剂的持久性也很好,固化速度的范围较广。但是,其在加工过程中对湿度比较敏感。
丙烯酸基粘结剂对复合材料和热固性塑料的粘接性均极好,对金属的粘接性也不错。它允许对预处理效果不好的部件进行粘接,且能实现高强度与高韧性的最佳结合。此外,它还具有耐化学性好,有效使用期长以及固化速度快的优点。但是,这种粘结剂有恶臭,固化过程中收缩性较高。

作为一种新型的轻量化材料,树脂基复合材料正日益成为汽车制造业中的新宠。特别在小批量车型应用领域,它可谓一枝独秀,成为欧美汽车制造商开发新车型的首选材料。那么,复合材料在汽车制造业中具有多长的应用历史?占据什么地位?其工艺技术是否已趋于成熟?应用现状又如何?这些都是国内众多从事和关注汽车轻量化、从事和关注汽车复合材料的同仁们希望了解的。本文从复合材料的历史和现状两方面作一介绍,以飨读者。汽车复合材料的历史自开始制造汽车以来,复合材料,包括天然复合材料和人工合成复合材料便以各种形式应用于汽车中。早在1908年,美国福特汽车公司第一款大批量开发生产的T型车,其引擎盖就是采用天然复合材料——木头制造而成的。其后,很多汽车的车身框架、车底板和汽车装饰品等也均由木质材料制成。在汽车制造史上,复合材料被大规模地应用于汽车部件生产的一个典型例子是汽车的轮胎。众所周知,轮胎的橡胶基体中含有大约50%的碳黑,它不仅使轮胎呈黑色,更主要的是,碳黑的加入显著地提高了轮胎的耐磨性。通过在轮胎纵向方向加入纤维和钢丝,还大大增加了轮胎的结构强度,这是典型的人工合成复合材料在汽车领域的应用案例。尽管现代轮胎的制造技术己取得了巨大进步,但从福特公司T型车诞生以来,轮胎的基本配方和结构形式却一直都没有改变。因此我们可以认为,汽车制造业的发展史,实际上也是复合材料在汽车上的应用史。当然,本文主要介绍的是树脂基汽车复合材料,其历史应该追溯到树脂基复合材料诞生之后。树脂基复合材料自1932年在美国诞生以来,至今已有近75年的发展历史。然而,其真正批量化应用于汽车工业则始于1953年。据资料记载,1951年,时任通用汽车公司车身设计负责人的Harley
Early先生从通用汽车公司展示的玻纤增强复合材料概念车中得到启发,他憧憬着有朝一日能够设计出一款供批量生产的全玻纤增强复合材料车身的跑车,这款跑车可以结合所有欧洲汽车的优点。很快,他的想法得到了通用汽车公司副总裁Harlow
Curtice先生的支持。1952年,通用汽车公司将一款原准备采用常规的钢材制造的跑车改为采用玻纤增强复合材料来制造,并将原名“Opel”改为“Corvette”,Corvette的英文原意是“轻巡洋舰”,其涵义充分表达了轻型、快速和操控性强的设计理念。第一批Corvette车身采用手糊工艺制作而成:首先将剪切好的玻纤增强材料铺设在开放式的模具内,然后通过树脂浸渍、滚压赶泡、固化反应及脱模等一系列工序制作完成,这在当时是一种全新的车身制造工艺。经过全员努力,1952年12月22日,通用汽车公司成功地完成了该车身的开发制造。1953年1月17日,一辆锃亮的配有红色内饰的白色Chevrolet
Corvette跑车在美国纽约的Waldorf宾馆首次向观众展示,这是世界上第一款全复合材料车身的两座位跑车,这一天也因此成为了汽车复合材料史上值得永远纪念的日子。1953年6月30日,第一批试生产的300辆Corvette车在美国的Michigan投产。1954年,其生产地被移至美国的St.Louis。从1984年至今,Chevrolet
Corvette车型一直在Bowling Green生产。当年谁也没有预料到的是,Chevrolet
Corvette车型现己成为世界复合材料汽车的典范。自1953年推出此款车型以来,通用汽车公司目前己经售出了130万余辆。而更重要的是,作为世界上第一辆全复合材料车身汽车,Chevrolet
Corvette引发了一场世界范围内应用复合材料的热潮:从车头到车尾,从内饰件到外饰件,从A级表面的车身面板到结构组装件,从皮卡车厢到发动机气门盖、油底壳,从传动轴到板弹簧等部件,复合材料在各种汽车零部件的应用中均显示出了无可比拟的优势:更低的模具投资成本、更低的汽车重量、更高的设计自由度以及更高的零部件集成度等等,这些引起了汽车制造业对复合材料的广泛关注。追述复合材料在汽车工业中的应用历史,至今己有54年,其成功案例已不胜枚举。下面的一些典型案例简要地概述了国内外汽车复合材料的应用发展史。1、国外汽车复合材料的应用历史自1953年Chevrolet
Corvette两座位跑车作为世界上第一辆全复合材料车身的车辆被推出以来,在世界范围内先后又有多款采用了复合材料的汽车问世:1963年,Studebaker公司推出了全复合材料车身的Avanti跑车,在1964年生产了1000辆之后停产;1970年,第一个格栅面板(GOP)应用于Pontiac公司的Tempest车型中,显示了SMC材料部件良好的集成功能;1986年,Cummin公司开发的SMC气门盖成为第一个应用于发动机的引擎部件;1987年,Mercury
Tracer公司展示了第一款高产量的复合材料保险杠,这是复合材料第一次应用于结构件;1989年,欧洲最先采用缠绕法制成了复合材料压缩天然气(CNG)气瓶,到目前为止,这种气瓶已在全世界范围内投入使用了至少80万套以上;1992年,复合材料板簧在美国正式投入商业化生产,广泛应用于重型卡车和牵引车上,重量仅为钢材板簧的1/3;1993年,VW公司首创Golf
A3型汽车的GMT前端框架,日产量达到2000件;1995年,Ford公司的Taurus车型和Sable车型首次采用了SMC散热器支架,Lincoln
Continental车型首先采用了柔性的SMC翼子板;1997年,Corvette车型首先采用了三明治结构的复合材料轻型车底盘,该轻型车底盘于2003年应用到Cadillac
XLR车型中;2002年,Renault公司推出了Avantime车型,其车身的90%采用了SMC材料,整辆汽车使用的SMC材料达到90kg,最大日产量为350辆;2003年,碳纤维的SMC复合材料首先成功批量应用于2003款的Dodge
Viper车型和mercedes Maybach车型的系列化生产中。

应用越来越广泛

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亚洲必赢76.net,bwin必赢亚洲官方网站,必赢亚洲56.net手机版,图2 2002年Renault公司推出了全SMC车身的Avantime车

766net亚洲,据不完全估算,目前我国玻璃钢/复合材料年产量达200万吨以上,但汽车复合材料的年用量仅为10万吨左右,而且厂家普遍规模较小,存在创新发展能力不足等问题。

bwin中国,亚洲必赢366,表中数据为汽车复合材料3类结构粘结剂的典型性能。由于结构粘结剂的品种繁多,使用的要求又各不相同,所以应以实际使用结构粘结剂的性能为准,表中数值仅供参考。3、粘接前的表面处理汽车复合材料的表面能都相对较低,所以在使用结构粘结剂之前,需要对其表面进行适当的处理,以去除表面的污垢、粉尘、油污、油脂、水分、脱模剂和增塑剂等,同时,提高基材的表面能,使其高于结构粘结剂的表面能量,以确保结构粘结剂能够充分润湿基材表面,这对于实现坚固可靠且耐久的粘接至关重要。下面介绍3种常用的表面处理方法。溶剂擦拭法。这是最简单的表面处理方式,能够去除粘接表面的蜡质、油污和其他小分子量的污染物。这项技术要求污染物可溶于溶剂,且溶剂本身不含溶解的污染物。为此,对溶剂的选择非常重要。一般,常用的溶剂包括:丙酮、丁酮、甲基异丁基酮、二甲苯、三氯乙烯、乙醇和异丙醇等。在擦拭中,应注意使用清洁的无尘擦布或纸巾。这种表面处理方法的缺点是:溶剂可能会对基材产生不良影响,如热塑性复合材料可能会被溶解,显现出应力裂纹或龟裂;可能会造成交叉污染,如样品与样品之间的污染、重复使用或浸入到溶剂中的擦布的污染等;产生的蒸汽可能会危害工人的健康;不适用于大规模的生产要求。打磨法。打磨可去除表面污染物,并获得高度毛化的表面,从而增加结构粘结剂的粘接接触面,以产生“咬合效应”。常用的打磨方法包括:采用钢丝刷、砂纸或锉削等的手工打磨;采用砂带、砂轮或喷丸/喷砂等的自动打磨;以及相对较快,对操作者依赖性低,且重复性和成本效益均较好的机械打磨等。火焰处理法。火焰处理是利用气体或气体/氧气火焰,对表面进行部分氧化,以产生极性基,从而提高聚合物的表面能。此技术所处理的基材厚度较采用电晕预处理的基材厚度大,尤其适用于不均匀的热塑性复合材料制品。其优点是:气体与氧气的比例、流量、暴露时间和火焰与基材的距离易于调节,已被证实是适用于聚丙烯类复合材料的较有效的方法。目前,汽车复合材料粘接前的表面处理,除了以上介绍的3种常用方法外,还有一些相对先进,以及适应特殊粘接要求的复杂的表面处理技术,如等离子体处理、
电晕放电处理和化学处理等。但无论采用那种方法,必须获得清洁的粘接表面,以确保粘结剂能够充分润湿基材,这是我们应该严格关注的。4、粘接接头的设计除了粘结剂的选择与配制,以及表面处理等关键步骤外,粘接接头设计的好坏同样将直接影响到粘接的性能和强度。汽车复合材料粘接接头设计的一般原则是:保证粘接面上的应力分布均匀;使应力最小化,从而使粘接面纯粹受拉力和剪切力的作用;尽可能扩大粘接面积等。汽车复合材料粘接接头的结构设计形式多种多样:根据被粘物的形状,可分为平面搭接、角形搭接、T形粘接和管、棒形粘接等;根据材料的粘接方式,又可分为对接、搭接、插接以及对切双搭接等。从接头形式看,一般认为,插接结构比较理想,其次是搭接和斜搭接。在实际应用中,主要根据被粘接制品的结构和需粘接的部位而具体分析和确定。图2所示为采用机械手涂胶工艺在白车身上预涂结构粘结剂。
汽车复合材料部件的维修对于碰撞受损后的汽车维修,传统上只是简单地将受损变形的车身固定,用加热、机械拉伸的方式进行维修,然后再靠榔头等简单工具调整和修复车身钢板、车门和立柱等的间隙和形状,最后靠腻子、原子灰以及修补漆等使其恢复原貌。目前,人们对钢板车身的维修已驾轻就熟了。但随着汽车复合材料在汽车车身上应用的日益广泛,对它的维护修复却开始成为汽车行业新的困惑。那么,汽车复合材料部件在碰撞受损后,究竟能不能修复?如果可以,怎么进行修复?经修复后的车身能否恢复到受损前的状态?对于这些问题,答案是明确的:目前,在汽车上所使用的复合材料部件都是可以修复的,而且完全能达到受损前的状态。之所以会得出这样的结论,是因为在过去的若干年中,维修汽车复合材料所用的粘结剂等产品已得到了极大的改进,维修的工艺技术也日臻成熟。从某种意义上讲,汽车复合材料的维修工序要比钢板材料更加简便和易于操作。当然,汽车复合材料部件是否需要修复,主要取决于碰撞的程度。一般,有三种碰撞情况:一是轻微撞击。由于汽车复合材料本身具有良好的抗撞击性能,如能经受普通手推车的撞击而不会产生凹陷,也不会损坏,因此这种状况不需要维修;二是猛烈的撞击,即汽车复合材料严重受损,这时通常建议更换部件而不做维修,因为维修成本会大于更换部件的成本;三是虽经碰撞而受损不严重,在经济上值得维修。这是本节讨论的重点。目前,大多数维修部门已经掌握了手工铺层玻璃纤维增强塑料的维修技术,而对在车身面板方面使用最多的片状模塑料SMC部件的维修却缺乏认识,仍采用传统的手工铺层玻璃纤维增强塑料的维修方法,结果常导致维修失败的现象。这是由于,SMC的化学组成成份和手工铺层玻璃纤维增强塑料是不相同的。维修SMC部件通常需要专用的SMC材料制成的粘结剂,而SMC维修专用粘结剂的玻纤含量要与被维修SMC部件的玻纤含量基本一致,这样才能使修补的部分与被修部件保持相对一致的热膨胀或收缩比率,否则,维修数周后会出现类似“牛眼”或“晕环”的形状,导致维修工作的失败。另外,无论在维修过程中使用何种材料,都必须按照粘结剂供应商的指导说明正确操作,尤其要特别注意维修材料的固化时间。下面就汽车复合材料的维修方法用图示的方式做一简单介绍。1、汽车复合材料部件的双侧维修方法如图3所示,在维修前,先在SMC部件正面的裂缝处劈出V型凹口,然后清理、打磨,并用溶剂清洗所有要维修的区域。当正面一侧准备好后,将SMC专用维修粘结剂充分地涂抹在凹口里。图4所示为粘结剂涂好之后,用刮板延展器抹平,使其光滑、平整,待固化后再作后处理。如图5所示,在需要维修部位的后部,使用维修复合材料的专用玻纤网状织物,其大小和形状应和所需维修的部位大致相同。如图6所示,在维修用的玻纤网状织物上涂抹粘结剂后,将其粘贴到需要维修部位的后部,将二者粘接在一起,直到粘结剂完全固化。2、汽车复合材料部件的单侧维修方法如图7所示,当受损的SMC部件为V型时,先对其进行清理,并用溶剂清洗好待维修区域后,直接将专用的SMC维修粘结剂涂抹在上面。如图8所示,当专用的SMC维修粘结剂被均匀地填充到需要维修的部位后,等待粘结剂的固化,然后再用打磨机慢速地对粘结剂进行打磨。如图9所示,如果粘结剂涂抹的有任何缺陷,可将修整用的填料涂抹在已固化的粘结剂上面,进行后整理。汽车复合材料的回收出于经济和环保的原因,回收工艺在汽车行业中的应用已有很长的历史。早期的汽车,如轿车、客车和卡车等,由于使用的几乎全是金属,因此回收方法主要是将废旧的金属部件熔化掉,以再次利用。这种回收方法对于金属材料来说是相当理想的。通过熔化处理,金属部件可以成为新的材料。但遗憾的是,汽车复合材料却不能像金属材料这样回收,这就是人们常问及的问题:汽车复合材料是否属于可回收的材料?如果是,怎样才能方便地对其进行回收?众所周知,汽车复合材料包括热固性和热塑性材料两大类,其中热塑性汽车复合材料可以通过再熔化进行回收利用,这已为大家所熟知。实际上,人们更多关注的是热固性汽车复合材料的回收和再利用问题。在此需要明确的是,热固性汽车复合材料同样属于可回收的材料,这在汽车复合材料应用最为发达的美国、欧洲等国家早己有定论,只是热固性汽车复合材料因为具有化学、热力学和机械稳定性较高的特点,一方面使它们成为汽车许多应用领域的首选材料,另一方面也存在着其回收有一定困难的客观事实。热固性汽车复合材料不像传统金属材料和热塑性汽车复合材料那样,可以通过简单再熔化的方式来回收,它们必须用不同的回收方法进行处理。针对热固性汽车复合材料的处理和回收,人们通过不断的探索和实践,已研发出了多种回收处理技术,其中为行业普遍接受的回收处理方法有3种:热解法、粉碎法和焚烧法。1、热解法热解法又称为“化学回收处理法”。简单地讲,热解法是在无氧的环境中加热,将有机物质有控制地热分解成可回收的一种或多种物质的方法。热固性汽车复合材料热解处理的一般过程为:先将废旧的热固性汽车复合材料制品切割成50mm×50mm大小的碎块,用水蒸气蒸煮后,置于热解炉中处理。结果显示,热固性汽车复合材料在处理系统中很容易被蒸馏,苯乙烯-聚酯树脂基材料很快挥发而转变为可燃气体和可燃油。这样,有机物质便完全从玻璃纤维和CaCO3中分离出来。热解法处理后,即得到3种可回收物质,包括:热解气、热解油和固体副产物。2、粉碎法粉碎法又称为“物理回收处理法”,是一种直接利用废旧热固性汽车复合材料,而不改变其化学性质的一种回收方法,也是目前最直接、最有效的方法。其处理一般过程为:先将废旧的热固性汽车复合材料切成50mm×20mm大小的碎块,并通过除铁处理,然后用锤磨机对碎块进一步粉碎,粉碎后的粉料通过二级气旋式分离器进行分级分理,粗料重回锤磨机再粉碎,粉料进入振动筛进行分级处理。接着,将各种不同颗粒直径的粉料分别贮存于相应的收集箱内,供各种不同应用场合再利用。通常,粉碎法的效果较好,效率较高,实用性也强,可以制成大至9.5mm的有用颗粒粗料,也可制成小至200目(60μm)或更细的粉状填充料。图10所示为通过粉碎法回收的粉状填充料。3、
焚烧法焚烧法又称为“能量回收法”,是一种将废旧热固性汽车复合材料作为燃料进行焚烧,以获取能量的回收方法。其处理一般过程为:先将废旧的热固性汽车复合材料粉碎为粒径10mm大小的粉末,然后吹入水泥窑炉内,作为燃料燃烧,从而以能量的方式对其进行回收。焚烧中,交联的聚酯可产生热能,而经煅烧的灰分可作为水泥原料使用。这种方法的特点是:把废旧热固性汽车复合材料的一部分转化成能源,可以减小部分燃料用量,也减少了CO2的排放。另外,由于窑炉内温度高,产生的有害气体极少,因而不存在有害气体污染空气的问题。通常,经煅烧的灰分与水泥的化学成分相同,因而完全可作为水泥原料使用。显然,焚烧法能将能源利用和材料回收结合起来,从而对废旧热固性汽车复合材料一次性全部回收,因此具有很好的推广价值。通过上述3种回收处理方法的介绍,我们可以更加明确地知道,汽车复合材料部件不仅是可以回收的,而且其回收技术没有任何障碍。根据国外回收处理的经验,汽车复合材料回收存在的最大问题是回收后材料的最终使用以及成本方面的问题,这些问题需要我们今后认真去研究和关注。结束语复合材料在汽车中的应用已有55年的悠久历史。在世界范围内,复合材料被广泛地应用到汽车的车身内、外饰件以及部分半结构件和结构件,为汽车工业的轻量化做出了巨大的贡献。在此过程中,人们积累了丰富的设计、制造和应用经验,以及大量的成功范例,这是汽车复合材料行业的骄傲,也是汽车工业引以为荣的成就。但是,我们应该清醒地认识到:尽管汽车复合材料具有很大的发展潜力,汽车复合材料行业也需要展示这些复合材料产品的优点,以及和金属件相比所存在的优势,但这并不意味着汽车复合材料在未来就一定或必然会替代金属材料。可以预见的是:在相当长的一段时间内,复合材料应用于汽车行业的数量将不断增加,但决不会完全替代金属材料。在汽车工业中,复合材料一种比较理想的应用情况是:汽车设计师将同时采用复合材料和金属材料进行设计和制造,分别利用它们各自最佳的性能特点,设计制造出真正意义上的高性价比的新一代汽车。当然,采用这种混合材料进行汽车的设计和制造时,必须要谨慎地考虑复合材料和金属材料间的相容性问题。另外一个必要条件是,需要拥有产品设计、模拟和生产方面的软件。希望有一天,汽车工业能像制造波音787飞机一样,50%采用复合材料,这将从节能、环保、安全和舒适性方面,对世界的汽车工业产生重大的影响!我们期待着这一天,并为这一天的早日到来而努力!(end)

图3 第一次批量应用碳纤维SMC的2003款Dodge Viper车

北京汽车玻璃钢有限公司郑学森表示,目前我国轿车生产仍以进口车型为主,进口车型的复合材料部件基本沿用原厂设计,部分实现本地化生产配套,但相当一部分部件依然需要进口,而国产品牌轿车上复合材料部件还使用较少。

2、国内汽车复合材料的应用历史我国复合材料的研究和开发始于1958年,但复合材料进入汽车工业则比较迟缓,尤其是大批量、标准化应用的历史更短。在20世纪80年代后期到20世纪90年代末,“全塑中华汽车”的概念虽然曾经在国内汽车界轰动一时,但终究由于质量较差不能满足汽车工业的要求而半途夭折。此后,国内陆续有一些汽车厂开发过全复合材料车身的客车车型,主要的工艺手段为手糊工艺,但都没有形成工业化大生产的局面。随着以切诺基、依维柯、斯泰尔和桑塔纳等各类引进车型在中国的陆续投产,中国的汽车工业才真正开始引入和接触到与国际水平较为接近的塑料件和复合材料新技术。同时,中国汽车复合材料的历史也开始有了实质的起步,迎来了以消化吸收为主要目标的新的发展时期,并在实践中逐渐获得了中国汽车工业的认可。经中国汽车复合材料企业成功消化吸收并获得国产化应用的范例有:1996年,南京依维柯汽车有限公司的IVECO小客车SMC前保险杠由北京汽车玻璃钢制品总公司国产化供货;2000年,北京吉普汽车有限公司的切诺基吉普车SMC后举升门由北京汽车玻璃钢制品总公司国产化供货;2003年,中国重型汽车公司的斯泰尔王重卡SMC保险杠、面板等14种零部件由山东武城新明玻璃钢制品有限公司国产化供货;2004年,上海通用汽车有限公司的别克凯越车型GMT成套后座椅靠背骨架由上海耀华大中新材料有限公司国产化供货;2005年,上海通用汽车有限公司的别克GL8车型GMT前保险杠缓冲器支架由无锡吉兴汽车内饰件有限公司国产化供货;2006年,上海大众汽车有限公司的POLO、B5轿车GMT发动机底护板由上海耀华大中新材料有限公司国产化供货;2006年,一汽-大众汽车有限公司的宝来车型GMT前端框架由长春英利汽车部件有限公司国产化供货;2006年,一汽-大众汽车有限公司的宝来车型D-LFT车底部护板由长春英利汽车部件有限公司国产化供货;2006年,上海大众汽车有限公司的途安车型G-LFT前端框架由长春英利汽车部件有限公司国产化供货;2007年,一汽-大众汽车有限公司的迈腾车型GMT备胎仓由长春英利汽车部件有限公司国产化供货。

据悉,随着雷诺、沃尔沃、康明斯等国际知名发动机制造商进入中国进行合资建厂或技术合作,复合材料在汽车发动机部件如气门罩盖、油底壳、噪音隔离罩、输入管、进气歧管等功能性部件开发应用需求大,大部分采用了SMC或玻纤增强材料。而引进轿车车型的保险杠、天窗、后背厢盖、后举升门、备胎厢等复合材料部件,将越来越多地实现本地化生产,并将在国内自主开发车型中推广应用。

图4 北京 Jeep 2500车型SMC后举升门

赵鸿汉指出,随着我国新能源汽车开发步伐加快,国内的CNG/LPG高压气瓶已经首先应用于公交车,并正在向轿车、卡车等推广应用。相当一部分气瓶采用缠绕成型,包括全复合材料结构气瓶、金属内衬(如钢内胆结构、无焊缝铝合金内衬)和塑料内衬复合材料气瓶等。

汽车复合材料的现状尽管复合材料的许多优点使其很好地适应了汽车工业的发展要求,但其存在的一些缺点也是现代汽车工业所不能容忍的,如:原材料成本较高、弹性模量较低、材料特性分散性大、生产周期较长、可回收性差以及高温烘漆后易产生油漆爆破现象等。经过50多年的不断探索和研究,近年来,复合材料的新材料、新工艺和新技术不断涌现,从而在很大程度上使上述问题得以改善,促进了复合材料在各类汽车中的广泛应用。据统计,在欧美一些国家,汽车复合材料的用量约占本国复合材料总产量的33%左右,并保持持续增长状态。目前,复合材料在车身外覆盖件上的应用已相当成熟,并开始向内饰件、半结构件及结构件等的应用方向发展。近年来,汽车复合材料在应用和技术改进方面都发生了哪些变化呢?1、成本降低,效率提高,更具竞争优势在初级阶段,由于原材料成本和制造成本均很高,加之生产效率低、质量稳定性差等缺点,汽车复合材料并不被汽车工业所看好,因此一般只被用于小批量的、质量要求不高的非结构件产品。随着复合材料技术的不断进步以及生产自动化程度的不断提高,复合材料零部件的产量呈增长之势。以SMC为例,在与钢材的成本-产量进行对比的过程中,一个长期的研究数据表明,二者之间存在着一个交汇点,这个交汇点即为“基准产量”。当某种SMC产品的实际产量低于此基准产量时,其成本价格低于同类钢零件,而超过此基准产量时,其成本价格则高于钢零件。事实上,这个基准产量点是动态的,其总的趋势是向上移动。据统计,20世纪70年代的基准产量约为3万件/年,20世纪80年代的基准产量约为7万件/年,到2000年则上升为15万件/年。这表明,对于年产量在15万件以下的生产规模,相比钢材,SMC汽车复合材料更具竞争优势,这在欧美国家已得到了证实。

回收是最大问题

图5 SMC与钢材的成本-产量比较

汽车复合材料是否属于可回收的材料?怎样才能方便地回收汽车复合材料?作为长期研究汽车复合材料的专家,朗基尔汽车零部件有限公司市场部经理蒋鼎丰表示,这是他时常被问到的问题。

2、设计、制造更具科学性复合材料是一种“可设计”的材料,即通过改变纤维或基体,可以在极大范围内设计材料的性能。但是,以往用复合材料制造汽车零部件的过程却经常使好的设计无法实现,或不能以合理的成本制造出来。例如,纤维在树脂基体中得不到准确排列或均匀分散,以及材料的局部力学性能和化学环境不能有效控制,造成制品的材料特性呈分散性大的缺点等,这些都是汽车工业所不能容忍的。近年来,随着一些相关的设计和开发软件技术的进步,汽车复合材料的设计和制造变得更具科学性。如ESI集团公司和VISTAGY公司等相继推出的汽车复合材料产品设计软件、仿真模拟软件和有限元分析软件等,对提高汽车复合材料产品的质量、缩短成型周期以及降低生产成本等发挥了重要作用。目前,PAM-RTM成型工艺计算机模拟分析软件己得到了广泛应用,它能够对RTM生产过程中树脂的流峰、温度、压力场以及固化过程进行模拟预测,从而帮助获得合理的注射方案并缩短生产周期。3、以SMC为代表的热固性复合材料更趋成熟SMC是一种热固性材料,是由不饱和聚酯树脂、有机添加剂、碳酸钙和短切玻纤等混合制得的一种片状模塑料,是汽车工业中应用最成功的复合材料之一。2000年,美国和欧洲汽车SMC的消耗量已分别达到SMC总产量的70%和42%。随着SMC在汽车中应用范围的不断扩大,市场对SMC的要求也越来越高。近年来,各国在不饱和聚酯树脂、有机添加剂、填料、玻璃纤维、模具、零件设计以及SMC的生产、成型工艺过程控制等方面都进行了广泛的研究,并取得了重大进展,相继推出了A级表面SMC、低压SMC、低密度SMC、免喷涂SMC、增韧型SMC、耐高温SMC及环境友好SMC等各种汽车用SMC复合材料,充分满足了汽车工业发展的需求。2006年,德国Fraunhofer研究院与VW公司、DieffenBacher公司经过2年多的努力,推出了SMC直接在线混配、微波即时熟化连续成型生产线,从而将传统的二步法SMC成型工艺创新为一步法成型,大大降低了SMC复合材料成型的生产成本和加工周期,这无疑为汽车工业扩大应用复合材料、促进汽车轻量化带来了新的福音。4、长纤维热塑性复合材料呈快速发展趋势长纤维增强热塑性复合材料(LFT)由于比没有经过增强的工程热塑性塑料、热固性复合材料、钢铁或者铝材等具有更优异的抗冲击强度和耐用性、更低的重量和成本、更短的成型周期以及更好的可回收性,因此自20世纪80年代推出以来越来越受到汽车制造业的青睐。2002年,全世界LFT的产量已达到6万t/年,并以30%左右的速度增长。就品种而言,PP占其中的56%,PA占其中的32%;就地区分布而言,欧美国家占到了总量的92%。2006年,仅欧洲的LFT用量就已接近14万t。近年来,亚洲汽车工业的LFT用量也呈增长态势。目前,LFT已在汽车的防撞内杆、前端框架、仪表盘骨架、车门中间承载板、电瓶箱、座椅骨架板、备胎仓以及车底部护板等结构件和半结构件上得到了广泛应用。据统计,在LFT的总消费量中,汽车工业就占据了其中的80%

蒋鼎丰说,针对热固性汽车复合材料的处理和回收,人们通过不断的探索和实践,已研发出多种回收处理技术方法,其中较为行业普遍接受的回收处理方法有下列三种:

图6 世界汽车用长纤维热塑性复合材料增长趋势

一是热解法,又称为化学回收处理方法,先将废旧的热固性汽车复合材料制品切割成50mm×50mm大小的碎块,用水蒸气蒸煮后,置于热解炉中处理。经热解法处理可以得到3种可回收的物质,即热解气、热解油及固体副产物。二是粉碎法,又称为物理回收处理方法,是一种直接利用废旧热固性汽车复合材料而并不改变其化学性质的一种回收方法,也是目前最直接、最有效的方法。三是焚烧法,又称为能量回收法,是一种利用废旧热固性汽车复合材料做燃料进行焚烧,以获取能量的一种回收方法。焚烧法能把废旧热固性汽车复合材料通过焚烧,将能源利用和材料回收结合起来一次性全部回收,具有很好的推广价值。

5、碳纤维复合材料在汽车工业中崭露头角碳纤维复合材料因其重量轻,以及具有高强度、高刚性和良好的耐蠕变性、耐腐蚀性等特点,已成为一种非常理想的汽车轻量化材料。实际上,早在几十年前,就有专家曾预言,碳纤维复合材料将取代金属用来制造汽车底盘结构件,现在这个预言已成为事实:2003款的戴姆勒-克莱斯勒Dodge
Viper
运动车的底盘和车身外部构件就是采用CFRP制造而成的,它使汽车重量减轻了68%,从而使油耗降低了40%。另外,在该车的制造过程中,首次实现了SMC模压成型工艺的批量化生产,为此该项目还荣获了2004年的SPE大奖;德国BMW汽车公司在其系列车型的制造中,持续采用碳纤维增强复合材料,其最新的一个案例就是用CFRP制造的车顶。该车顶专门为欧洲新的M3
CSL车型而设计,是在BMW汽车公司的Landshut工厂中的第一条高自动化的碳纤维车身零部件加工生产线上制作而成。相比钢制车顶,其重量减轻了13.2Lb,相当于钢制车顶重量的一半;美国摩里逊公司采用CFRP为通用汽车公司的载重汽车配套生产出了汽车传动轴,从而使原来通过中间轴承连接的两根金属传动轴用一根CFRP传动轴取代即可,它不仅减轻了60%的重量,而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。毫无疑问,随着碳纤维制造工艺的不断进步及其价格的不断下降,用碳纤维复合材料大量替代钢材制造汽车结构件、半结构件和车身,从而实现汽车真正意义上的轻量化己不是遥远的梦想。6、汽车复合材料的油漆爆裂问题已得到有效控制通常,复合材料在经过油漆喷涂,特别是高温油漆烘烤后,其表面会出现油漆爆裂或裂纹等现象,而且其概率比钢制面板要高出4倍甚至更多,由此而带来的返工修补不仅费时,还增加了成本。多年来,这一缺点使得复合材料在汽车工业中的应用受到了限制。为了解决这一问题,一些材料供应商进行了深入研究,并在2001~2002年期间取得了突破性进展:Budd公司的塑料部门和AOC树脂公司合作推出了一种新型的、含有高性能密封剂的Atryl
TCA坚韧型SMC专用A级表面树脂;巴斯夫公司和Meridian汽车系统公司联合推出了一种全新的紫外固化密封剂。这些技术进展从密封、防止缝隙产生的角度很好地解决了复合材料的爆裂及裂纹问题。数据显示,经油漆喷涂后达到
A级表面的SMC部件,在放置几个月之后,其油漆缺陷产生的概率很小,小到完全可以与A级表面的钢材料面板相媲美。7、汽车复合材料回收技术进一步提高对汽车工业来说,复合材料的回收是一个具有战略意义的问题。现在,人们已经解决了热塑性汽车复合材料的回收问题,同时明确了热固性复合材料属于可回收材料的范围。目前,世界上回收热固性汽车复合材料的方法主要有3种:通过焚烧回收热能;通过热降解回收可燃油和可燃气体;通过物理粉碎法重新生成玻纤、填料和固化树脂的混合物。其中,物理粉碎法是得到了广泛认同的、最为经济和方便的回收技术。当然,不可否认的是,对热固性汽车复合材料的回收仍然存在着一些问题,如:聚合物无法再次熔融和加工,增强纤维和填料的种类复杂而难以区分,回收物的经济价值不高等。为此,世界各国汽车复合材料业仍在努力,并不断取得新的进展。例如,意大利FIAT汽车公司建立了一种SMC的回收体系,即将SMC粉粹至粒径小于50μm的粉末后,用作PVC汽车底漆的填料。初步计算结果显示,如果每辆汽车平均使用7kg的PVC底漆,其中矿物填料为3kg,那么每辆新车可消耗大均2.5kg的SMC粉末,其所带来的经济效益不容忽视。此外,在欧洲,由复合材料企业发起组成了ERCOM复合材料回收股份公司的联盟组织,目的是在欧洲范围内开展SMC废弃物的收集和回收工作,取得了很好的社会和经济效益。如图7所示,其具体做法是:
设立SMC废弃物收集网点,并通过ERCOM移动式破碎系统为这些网点提供服务。这些经破碎压缩后的废料最终被运回ERCOM回收工厂进行处理。据介绍,ERCOM回收工厂的年产能高达6
000t。 与相关工厂合作,建立汽车复合材料部件的拆卸工厂。
不断完善相关的拆卸标准,推动标准的实施,保证回收物的质量。
建立健全对回收物和SMC部件的质量管理体系。
建立实验室,对采用SMC回收物生产的部件进行测试和检查,确保产品的质量安全。

业界指出,复合材料应用于汽车部分的数量将不断增加,但正如航空航天业那样,在汽车行业中复合材料同样不会也不可能完全替代金属材料。比较理想的一种情况就是,汽车设计师将同时采用复合材料和金属材料进行设计和生产制造,分别利用其最佳的性能特点,设计制造出真正性价比最佳的新一代汽车。但如果采用这种混合材料汽车的设计制造方法,必须要谨慎地考虑复合材料和金属材料的相容性问题,另外一个必要的条件就是需要具备产品设计、模拟和生产方面的软件。如果汽车工业能像制造波音787飞机一样,50%采用复合材料,必将对世界汽车环保、安全、舒适性产生重大的影响。

图7 欧洲复合材料循环回收利用体系

8、中国将迎来汽车复合材料发展的良好时机与欧美发达国家相比,中国汽车复合材料的应用历史很短而且发展缓慢,技术水平低下,其原因是多方面的。首先,在计划经济时代,复合材料隶属于建材行业。由于行业之间缺乏交流,导致了中国的汽车工业一直以来就缺少复合材料这种技术资源。其次,中国复合材料行业从材料到工艺到装备一直以来都没有形成一个高水平的、完整的工业生产体系,难以满足汽车工业发展的需求。改革开放以来,中国的汽车复合材料迎来了千载难逢的发展机遇。特别是自2000年以来,汽车复合材料的需求量每年以20%~30%的速率快速增长,其中长纤维增强热塑性复合材料的增长速度更快。在中国汽车工业快速发展的过程中,轻量化、低油耗、高安全、减少污染以及降低制造和使用的综合成本等日益成为汽车业界的共识,这无疑为轻质、高强、成本低廉及综合性能优异的复合材料提供了前所未有的市场机遇。可以肯定,中国的汽车复合材料将迎来崭新的发展时期。(end)

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