新型汽车材料--追求轻与强的兼得

作者：Matthew Monaghan

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 通过创新的方式来降低车身重量同时维持车辆安全性是达到2025年燃油效率目标的关键所在。 在通往2025年企业平均燃油经济性法规（CAFE）所规定的54.5mpg目标的道路上，降低车身重量被普遍认为是帮助实现这一雄伟目标的关键手段。 减重自汽车被发明以来就从未停止过其前进的脚步，不同的材料如铝、塑料/复合材料及高强度钢等的用量也在逐渐、稳定地增加。但是新的CAFE法规需要更进一步加快这些材料应用到车辆上的速度，与此同时还不能牺牲车辆的安全性。 “我认为NHTSA（美国高速公路安全管理局）的立场是，在提高车辆燃油经济性的同时绝对不可以让车辆的安全性受到任何影响，这点在我看来是毫无疑问的。你可以采取轻量化解决方案，但是他们是不会接受车辆在碰撞性能方面做出任何妥协的，”美国汽车研究中心（CAR）主席及汽车轻量化材料联盟（CALM）主任Jay Baron博士说道。 CALM是今年年初成立的一家联盟，其主要工作内容是将铝合金及塑料/复合材料行业领域在材料方面的优势和知识与设计及加工领域的技术供应商结合起来，借此为通过减重来达到提高车辆性能、燃油效率及安全性的汽车制造商提供支持。该联盟还得到了美国铝业协会旗下铝运输部门及美国化学委员会的支持，希望可以加快多材料解决方案的应用，达到降低车重的目的。 “我们与汽车制造商沟通的时候向他们传达了这样一个信息 ：未来的汽车不会是以铝合金材料为主，也不会以钢材料或碳纤维材料为主。我们希望未来汽车是采用多材料的，所有这些材料在未来都将用在汽车上，”Baron说道。 不过，各种材料的混合使用本身也会带来一定的挑战，比如腐蚀和连接的问题，以及模具和成形的问题等。CALM联盟希望可以与汽车制造商一起，以竞争前合作的方式，共同克服这些挑战，从而推动轻量化技术在汽车上的应用。除了一些材料协会，还有约20家独立的材料及技术组织已经与CAR联手，支持CALM的工作。 “大家都把研究重心分别放在高强度钢、铝合金、碳纤维或复合材料上，但是没有人去研究采用多种材料这样的解决方案，而我们却认为这种多材料的结构才是未来汽车的发展趋势，”Baron说道。“这就是为什么我们建立了CALM联盟，也就是说我们知道我们彼此间是竞争对手关系，但是我们需要知道怎样先建立合作关系，然后作为一个团队来解决多材料应用的问题。” 中空玻璃微球产品 作为领先的材料及技术供应商，3M公司也加入了该项目中，并提供了多种减重解决方案，包括密封带、隔音材料以及结构性胶粘剂。该公司不久前推出了其高强度中空玻璃微球产品系列中的新成员iM16K，专门为汽车及交通行业中的轻量化应用而开发。 iM16K是一种用于聚丙烯和聚酰胺体系的高强度注塑料，可让制造商定制出针对低密度填充塑料的最佳树脂配方，同时不损失强度或其他物理性能。该产品可用于多种车用材料中，比如热塑性塑料、片状膜及团状膜复合材料（SMC/BMC）、车底涂料、结构性泡沫剂汽车车身填料等。 “与我们之前为注塑产品推荐的两款产品相比，新成员重量更轻，降低了25%，”3M公司能源及先进材料部门高级产品开发专员Steve Amos说道。“之前两款产品的密度为0.6 g/cm3，此产品为0.46g/cm3。而强度依然很高，为16000psi，可以适用于大多数的注塑成型工艺。如果你看一下用于车用尼龙和聚丙烯中的树脂，尤其是聚丙烯，作为塑料重量已经很轻了，而0.46的密度差不多只是聚丙烯的一半。所以说该产品比0.6密度的微球产品在轻量化方面的效果更好。” 据3M公司表示，经iM16K 优化后的树脂体系，在聚丙烯填充体系下可减重15%或更多，而在尼龙玻璃纤维体系下可减重18%或更多。当使用充满了诸如 iM16K 之类的高强度玻璃微球的树脂体系时，制造商可提高生产率。因为像所有3M玻璃微球一样，iM16K是中空的，所以其需要冷却的成品件重量较轻，因此根据树脂体系的不同，可使周期时间缩短15%到25%。 Amos表示，塑料复合材料还面临一个挑战就是冲击强度的降低。 “玻璃微球是由玻璃制成的，硬度高，当你把高硬度的无机材料填充到高韧性的聚合物中时，材料的硬度会增加的。事实上这也是好事，因为零部件的硬度增加了，但是硬度往往与冲击强度背道而驰，”Amos说道。“对聚合物基复合材料来说，如果可以在增加硬度的同时还可以保持韧性，这就是两全其美的事了。人们多年来一直在研究采用添加剂的方法来解决这个问题，但是结果往往不尽如人意。” 创新的保险杠解决方案 在致力于通过降低车身重量而达到提升燃油经济性及车辆动力性能方面，马自达公司一直是活跃在行业最前沿的汽车制造商。 “马自达公司一直比较注重车辆的动力性能，而且这种品牌定位并不能为了追求燃油经济性而做出丝毫让步。降低车身重量毫无疑问便成为实现熊掌和鱼翅兼得的最佳途径，”马自达车辆开发工程师Dave Coleman表示。“我们在减重方面下了很大的功夫，几乎所有的零部件都从轻量化的角度进行了重新设计。比如说，CX-5车型上的座椅固定螺栓都比CX-7上的螺栓轻几克。” 作为其整个轻量化战略的重要组成部分，马自达一直不懈地追求树脂在车上的创新应用。在新一代CX-5 SUV轿车上面，马自达与日本聚丙烯株式会社（Japan polypropylene corporation）合作开发了一种树脂材料，使采用这种树脂生产的汽车部件与传统材料相比在刚性方面并无二致，但是重量却有天壤之别。 “由于保险杠处于车辆的两端，太高的重量会增加车辆的极矩，”Coleman说道。“所以说降低保险杠重量可以直接提高车辆操控的灵活性。” 马自达还将两个具有不同特性的聚丙烯和橡胶零部件结合在一起，并成功将其应用于一种双层结构中，完全满足保险杠基层材料内部及表面的功能性需求。制成的保险杠内层结构保持了较高的刚性和碰撞吸收性能，同时厚度也比普通的保险杠薄。如果将该材料用于前后保险杠上，可以获得约20%的减重效果。 开发人员采用CAE软件对该材料的流动性进行了优化。因为部件壁厚的降低，注塑的冷却时间也减少了。这样，保险杠的注塑时间也从原来的60秒降低到了30秒。 据Mazda透露，CX-5是第一款在保险杠横梁上采用1800-MPa超高强度钢的车辆。高强度钢在车辆达到2025年CAFE标准方面也将发挥重要的作用。这种材料可以让零部件壁厚更加薄，但是会保持同样的强度，从而大大降低车身的重量。 用于前后保险杠内的超高强度钢横梁可以减轻因碰撞对车辆带来的损坏，与之前的保险杠相比强度提升了20%，而重量减轻了4.8kg。 “保险杠横梁需要尽可能保持较高的刚度，这样在发生碰撞时便可以将负荷传递到车架横梁上。对碰撞负荷进行可控的能量吸收是车架横梁应当起到的作用，”Coleman说道。 先进高强度钢（AHSS）在韧度方面也要弱于传统钢材，因此在制造方面具有一定的挑战性，碰撞吸能效果也差。马自达公司针对保险杠横梁在碰撞中受力发生变形展开了研究，最终克服了这个问题。他们开发了一种全新的设计，大大提升了部件的吸能效率。此外，马自达公司还与双叶工业株式会社（Futaba Kogyo Co., Ltd.）建立了合作关系，对焊接技术进行了优化，最终建立了可靠的生产工艺。 强度的提升 全球最大的钢铁生产商安赛乐米塔尔公司（ArcelorMittal）去年对外公布了称为“S-in motion”的轻量化解决方案，据称可以减轻一款C级车全车43个零部件的重量。该解决方案采用了多种钢材料，包括先进高强度钢、压力硬化钢、不锈钢以及锻压钢（SOLAMB1100）。该公司称，如果各个零部件采用最轻的解决方案，全车减重可以达73kg或可以减轻19%。 “S-in motion研究项目也让我们学到了很多东西，比如车身上每一个零部件的设计要求，每一个零部件要想做到更轻、更坚固、更安全需要具备怎样的属性，”安赛乐米塔尔公司汽车产品应用部总监Blake Zuidema博士说道。“我们现在将这些知识应用到我们的新产品开发中，为对强度有较高要求的零部件开发超高强度钢；为溃缩吸能区开发强度高但同时可以吸收能量的钢；开发既有超高强度同时又有很好可成形性的钢；此外针对单个零部件在设计和性能方面独有的属性，我们在一种钢上面实现。” 除了轻量化，S-in motion在设计的时候还特别注重了安全性、耐久性和环保性，采用了大量的实验和模拟来确保这些性能。 “所有的设计概念都采用了与OEM相同的CAE性能评估软件进行了验证，确保在与OEM推介之前这些概念都可以达到性能和安全方面的要求，”Zuidema说道。“针对一些关键性能，我们还采用了第三方汽车车身结构设计公司进行评估认证，以获得完全的可信性。不过，最终只有在汽车制造商自己对设计及结构进行大量的分析及物理测试，以确保整车性能完全满足严苛的要求而且安全性尽可能达到最高的程度后，我们的产品及钢设计解决方案才能够真正应用到他们的车辆上。” 今天平均每辆汽车上大约采用了35%的先进高强度钢，工程师们也在积极拓展新的应用领域。在这种情况下，作为减重和提升车辆安全性的一种有效方式，先进高强度钢在汽车上的用量将得到进一步的提升。 “更重要的是，即使先进高强度钢的相对用量没有提升，钢本身的平均强度也在不断增加，”Zuidema说道。“我们看到在很多零部件上，随着车辆的不断更新升级，钢的型号也不断从HSLA 350升级到DP590，到DP980，再到PHS 1500等。” “随着每一次的升级，先进高强度钢的相对用量并不一定会增加，但是强度却在不断提升，而整车的重量也在不断减轻。我们需要确保车身结构中每一个零部件可以从整体设计上与其他零部件更有效地工作，同时使每一个零部件采用的钢的级别可以让其在厚度尽可能薄的情况下可以正常发挥其性能，而不管这个最佳的钢是否是传统的钢还是先进高强度钢。”(end)

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