汽车保险杠材料的选择与加复合材料)

汽车保险杠材料的选择与加复合材料汽车保险杠材料的选择与加复合材料 汽车保险杠材料的选择与加工作者刘小明 单位湖北汽车工业学院 Abstract Car lightweighttechnology connotationis using moderndesign methodand effectiveway tooptimize theautomotive productdesign or theuse ofnew materialson thepremise ofensure theautomobile prehensiveperformance index reduce automobileproducts asits weight weight loss in orderto achieveprehensive indicatorof consumption environmental protectionand safety In orderto reachthe goalof automobileenergy conservationand emissionsreduction this paperselected twokinds ofsea posite GMT to replacethe traditionalmetal materialsused inthe carbumper and analyzethem assessment final decisionone ofthese materials At thesame timethe processingmolding technologywere expounded and finallythrough theanalysis ofthis materialcan beused asa carbumper replacementmaterials key words bumper positeGMT MMC 正文 一 保险杆的材料及其性能要求1 1保险杠是吸收缓和外界冲击力 防护车身前后部的安全装置 正常情况下保险杠暴露于空气之中 所以保险杠的失效方式主要是腐蚀 擦伤 开裂 老化和失去光泽 等等 汽车保险杠作为汽车外部抗撞击件 要求材料耐腐蚀 隔热隔电 耐冲击 抗辐射抗震 并且具有高的强度高的韧性及良好的耐摩擦 耐气候与耐溶剂性 作为汽车加工 装配制品 又要具有较小的收缩率 较大的抗蠕变 性 较好的尺寸稳定性 亲水性 抗静电性 涂饰着色和粘合等二 次加工性能 1 2现在的轿车前后保险杠除了要满足上述功能外 还要追求与车体 造型和谐与统一 追求本身的轻量化 为了达到这种目的 目前轿车的前后保险杠大体上可以使用聚碳酸 脂和聚丙烯两种材料 采用注射成型法制成 塑料保险杠具有强度 刚性和装饰性 从安全上看 汽车发生碰撞 事故时能起到缓冲作用 保护前后车体 从外观上看 可以很自然 地与车体结合在一块 浑然成一体 具有很好的装饰性 成为装饰 轿车外型的重要部件 二 替代材料的物化特性及制备近代科学高新技术的迅速发展 特 别是在汽车发展的应用领域 对材料的要求越来越高 除了要求材料具有高强度 高模量 耐辐射 地热胀 低密度 可 加工性外 还对材料的韧性 耐磨及耐腐蚀等理化性能提出种种特 殊要求 对目前单一的某种材料而言是很难达到要求的 采用复合技术 把一些不同的材料复合起来 取其所长来满足这些 性能要求 金属基复合材料就是在这种前提下应用而生 2 1金属基复合材料 MMC 金属基复合材料 MMC 是复合材料中一 类型的重要材料 对金属基复合材料的研究和发展 能使我们对它的材料性能有进一 步的了解和掌握 下面是金属基复合材料的一些参数 为了提高综合性能而研制出金属基复合材料 就其增强机理而言 有3中类型弥散增强型 颗粒增强型 纤维增强型 纤维增强型的增强机理是高强度 高模量的纤维承受载荷 基体只 是作为传递和分散载荷的媒介 这类复合材料的强度与纤维和基体性能 纤维体积分数有关之外 还与纤维和基体界面的结合强度 基体剪切强度和纤维排列 分布 和断裂形式有关 弥散增强型和颗粒增强型的增强机理几乎相同 而纤维增强型属于 另一类型 其中弥散增强和颗粒增强金属基复合材料中的增强材料呈微小颗粒 状 对于直径在0 01 0 1微米的细微颗粒分散相材料 由于其有阻止复 合材料为错的能力 故起增强作用 对于直径在0 01 0 1微米以下的细微颗粒分散相材料 则具有抵抗 复合材料变形或阻止其硬化的能力 从而起到增强作用 金属基复合材料 MMC 有着明显优于传统材料的特殊工程性能 2 1 1高比强度和高比模量在金属集体中加入适量高比强度 高比模 量 低密度的纤维 晶须 颗粒等增强物 能明显提高复合材料的 比强度和比模量 密度只有1 85g 立方厘米的碳纤维的最高强度可达到7000MPa 比铝 合金强度高出十倍以上 石墨纤维的最高模量可达91GPa 加入质量分数30 50 高性能纤维作为复合材料的主要承载体 复合 材料的比强度 比模量成倍的高于基体合金或金属的比模量 2 1 2导热及导电性能金属基复合材料中金属基体一般占有60 以上 的体积分数 因此仍保持金属所具有的良好导热和导电性 金属基复合材料采用高导热性的增强物可以进一步提高导热性能 使导热率比纯金属基体还高 良好的导热性可有效地传热散热 减少构件受热后产生的温度梯度 2 1 3热膨胀系数小 尺寸稳定性好金属基复合材料中增强物碳纤维 碳化硅纤维 晶须 颗粒 硼纤维等既具有很小的热膨胀系数 又具有很高的模量 加入相当含量的增强物不仅可以大幅度的提高材料的强度和模量 也可以使其热膨胀系数明显下降 并可通过调整增强物的含量获得 不同的热膨胀系数 以满足各种工作情况的要求 2 1 4良好的高温性能金属基复合材料具有比金属集体更好的高温性 能 特别是连续纤维增强金属 在复合材料中纤维起着主要承载作用 纤维强度在高温下基本不降 纤维增强金属的高温性能可保持到接近金属熔点 2 1 5耐磨性好金属基复合材料 尤其是陶瓷纤维 晶须 颗粒增强 金属基复合材料具有很幻的耐磨性 在基体金属中加入大量硬度高 耐磨 化学性能稳定的陶瓷增强物 特别是细小的陶瓷颗粒 不仅提高了材料的强度和刚度 也提高 了复合材料的硬度和耐磨性 2 1 6良好的疲劳性能和断裂韧性金属基复合材料的疲劳性能和断裂 韧性取决于纤维等增强物与金属集体的界面结合态度 增强物在金 属集体中的分布 金属和增强物本身的特性等 特别是界面状态 最佳的界面结合状态即可有效地传递载荷 又能防止裂纹的扩展 提高材料的断裂韧性 2 1 7不吸潮 不老化金属基复合材料性质稳定 组织致密 不存在 老化 分解 吸潮等现象 也不会发生性能的自然退化 2 1 8金属基复合材料的制备方法金属基复合材料常用的制备方法有 一下四种扩散粘结法 铸造法 叠层复合法和原始复位法 1 扩散粘合法对于颗粒 晶须等增强体可采用成熟的粉末冶金法 即把增强体与金属粉末混合后冷压或热压烧结 也可以用热等静压 的工艺 对于连续增强体则较复杂 需先将纤维进行表面涂层以改 善它与金属的润湿性并起到阻碍与金属反应的作用 在侵入液态金 属制成复合丝 然后再把复合丝排列并加入金属薄片后热压烧结 对于难溶金属则用等离子喷涂法把金属喷射在纤维已排好的框架上 制成复合片 再把这些片材层叠热压或热等静压成型 这类方法成本高 工艺及装备复杂 但制品质量好 2 铸造法铸造法主要有熔体搅拌铸造法 液相侵渗法和共喷射沉积 法等 用铸造法制备金属基复合材料 工艺比较简单 制品质量也较好 所以受到普遍的关注 3 叠层复合法这种方法是先将不同的金属板用扩散结合法复合 然 后来用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同的金属或金属与陶 瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料 这种复合材料性能很好 但工艺复杂难以实用化 4 原位自生复合法金属基复合材料的原始复合工艺基本上能克服其 它工艺中常出现的一系列问题 如基体与增强体侵润不良 界面反 应产生脆性 增强体分布不均匀 对微小的增强体极难进行复合等 其中包括直接氧化法 自蔓延法和原位共晶生长法等 直接氧化法是由氧化性气体在一定的工艺条件下使金属合金液直接 氧化形成复合材料 直接氧化稳定比较高 达到1600K 添加适量的合金元素如Mg Si等 可使反应速度加快 自蔓延法是利用金属 金属之间或金属 化合物之间发生的放热反应在金属熔体中原位产生新的所希望获得 的金属间化合物或陶瓷增强相 从而形成复合材料 原位共晶生长法是共晶合金进行单相凝固时 通过合理控制固 液界面沿液相一侧的温度梯度 固液界面的推移速度以及合金成分 使固 液界面以平面的方式向前推移并生长 以形成复合材料组 织 2 2GMT GMT是玻璃纤维毡增强热塑性塑料片的英文简称 其所有的基体树脂主要是聚丙烯树脂 玻璃纤维的含量一般在20 4 5 之间 属于热塑性复合材料 与传统的热固性复合材料相比 其 成型周期短 韧性好 密度低 可回收利用 被称为21世纪绿色工 业材料 其应用领域比较广泛 GMT的主要原料是玻璃纤维 PP粉末 偶联剂 分散助剂等 在PP分子中由于叔碳原子的存在 容易在加工和使用过程中受光 热和氧的作用导致其降解 影响PP的性能 因此必须在PP中加入抗 氧化剂 将上述PP 玻璃纤维 偶联剂及分散助剂放入水中 搅拌至玻璃纤 维分散成单丝且和PP材料均匀混合 去除水分 烘干 制成GMT坯料 将坯料放入烘箱中加热 待PP熔化后 将其取出置于模具之中 合 模 加压 制成GMT材料 将GMT材料加工成所需尺寸的试样 留待测试 PP接枝对GMT的影响主要是极性基团的引入 是玻璃纤维与PP之间的 范德华力增加 GMT材料成型时 PP能够更好地侵渍玻璃纤维 使其 ILSS提高 偶联剂对GMT材料性能的影响适用于聚丙烯复合材料的偶联剂有钛酸 酯偶联剂和硅烷偶联剂两大类 在短纤维增强剂中主要使用钛酸酯 偶联剂 在GMT湿法工艺中使用钛酸酯偶联剂会使GMT制品变黄 性 能下降 因此选用硅烷类偶联剂 在分散体系中加入偶联剂后 GMT材料的剪切性有所提高 PP接枝和偶联剂对GMT材料界面性能的影响在树脂基复合材料中 由 于增强纤维和基体的热膨胀系数不同 复合过程中会出现界面热应 力和界面应力和效应等截面特征 并直接影响复合材料的性能 但是依据纤维和基体的特征 通过界面性能 可是复合材料在韧性 和强度之间达到合理的平衡 在复合材料性能设计时 可以通过界 面设计在纤维 树脂间形成可变形的紧密界面层 使纤维 树脂界面 既有较高的粘结强度又能消除界面应力 从而获得较高的拉伸强度 和层间剪切强度 GMT材料的性能GMT材料的应用总结下来有具有以下优点2 2 1比强度 高GMT的强度和手糊聚酯玻璃钢制品相似 其密度为1 01 1 19g每立 方米 比热固性玻璃钢 1 8 2 0g3cm 小 因此 它具有更高的比 强度 2 2 2轻量化 节能用GMT材料做的汽车零件可以减少自重 使汽车 空间增大 能耗降低 2 2 3耐冲击性能好GMT的吸收冲击的能力比SMC高2 5 3 0倍 在冲 击力作用下 SMC 刚和铝均出现凹痕或裂纹 而GMC却安然无恙 2 2 4高刚性 GMT里含有GF织物 即使有10mgh的冲击碰撞 仍能保 持原形 除了优异的物理 机械性能之外 作为总成部件 GMT材料产品 体成型的特点决定了它低廉的系统成本 也十分有利于专业化 大 批量生产和模块化供货 可以大大提高主机厂对供应商的管理效益 2 2 5抗疲劳性能好 抗裂纹扩展能力强GMT材料吸收微裂纹扩展能 量的途径及能力强于一般的复合材料 因此 抗疲劳性好 抗裂纹 扩展能力好 2 2 6阻尼大 减震性能优越GMT材料中热塑性树脂基体分子链及其 链段的运动能力强于热固性树脂 热塑性聚合物分子链及其连段的 运动可消耗外加能量 如声能 机械振动能等 从而赋予材料良 好的隔音 减震等性能 2 2 7抗湿热老化性能优越湿热环境很难造成聚丙烯等聚烯烃材料的 降解侵渍良好 以聚丙烯为基体的GMT材料抗湿热老化性能非常优越 在60摄氏度的水中放置1200小时 材料的力学性能下降不明显 2 2 8成型容易 周期短GMT材料制品的成型过程是一个物理过程 即受热熔化 冷却凝固的过程 比一般的热固性复合材料成型容易 周期短 2 2 9GMT与钢材对比的有点密度小 质量轻 比强度高 模具费用 低 耐蚀性好 抗冲击性能好 设计自由度大 易于实现复杂制件 一次成型 2 2 10GMT的制备方法目前 GMT材料的制备方法 大体上可分为两 类 即熔体浸渍法和抄纸法 1 熔体浸渍法熔体浸渍法是将两层玻璃纤维毡夹在三层PP树脂之间 其中间层是熔化的PP 而顶层和底层即可以是PP薄层 也可以是 熔化的PP 将这种夹层结构置于高于PP熔点之下 用履带式压机进 行压塑 随后使之冷却 再切成规格各异的的不同片材 供模压制 造 采用这种制造工艺生产GMT材料时 玻璃纤维的种类不同 GMT材料 的性能也不同 如果片材的性能需要各向同性 玻璃纤维毡中的纤 维取向是可以完全随意的 若片材的性能需要各向异性 则纤维毡 中的纤维是按所需方向排列 2 抄纸法用抄纸法生产的GMT材料特点是其流动性好 特别适合制 造复杂几何形状和薄壁结构的部件 它是将端切长度在6mm和25mm范 围内的玻璃纤维 pp粉料和分散剂一起分散在水中 使其均匀分散 然后除水烘干 将干燥后的片材在高于PP熔点温度下进行热压 使之融合在一起 用抄纸法制作GMT材料的特点是玻璃纤维均匀的分散在整个片层中 可以 根据终端产品的性能要求 制成不同密度和厚度的片材 生 产工艺灵活性和产品多样化是这种工艺的主要优点 三 车用保险杠的材料的确定通过前面对金属基复合材料和GMT的性 能和加工方法的阐述 我们知道这两种材料均可满足制作汽车保险 杠的材料性能要求 但是金属基复合材料推广应用还存在下面几个 问题 1 金属基复合材料普遍存在制备成本问题 在制备过程中 制备工艺复杂 很难应用于生产 若要使复合材料真正进入产业化 还需要进一步的研究 简化制造 工艺 降低制造成本 增强复合材料的市场竞争力 2 金属基复合材料的优劣性依赖于增强体与基体的结合及增强体 的分布状况 而决定结合及分布状况主要因素之一是湿润性 由于大多数金属基体与增强体湿润差甚至不湿润 这就给金属基复 合材料的制备带来了困难 研究表明 添加合金元素及提高液态金