車用玻璃鋼復合材料的應用技術拓展新天地
朱則剛
(湖北十堰東風汽車公司,十堰 442002)
摘 要:汽車工業是我國國民經濟的支柱產業,近些年來得到了迅猛的發展。汽車工業的快速發展導致了汽車保有量的急劇增加,同時也給社會帶來了能源匱乏、環境污染、安全三大問題。汽車節能、環保、安全既是國際汽車技術的發展方向,也是我國汽車產業政策的要求,玻璃鋼復合材料是汽車工業發展的理想材料。本文介紹了車用玻璃鋼復合材料的開發應用前景、國內外玻璃鋼復合材料在汽車上的應用狀況和我國汽車工業發展對玻璃鋼復合材料的需求;同時指出了玻璃鋼復合材料在我國汽車工業中的發展趨勢。
關鍵詞:車用玻璃鋼;復合材料;應用技術,發展趨勢
減少燃制消耗和降低對環境的污染已成為汽車工業發展和社會可持續發展急需解決的關鍵問題。采用高性能輕質材料是實現汽車輕量化的一條重要途徑,可以有效的減輕汽車自重,提高發動機效率。近些年來,美國和歐洲、日本等發達采用玻璃鋼復合材料在汽車領域的應用,不斷推動汽車復合材料及其制品向專業化、標準化、高品質化、環保化方向加速發展,開創了汽車復合材料的新天地。
1 玻璃鋼復合材料是汽車工業發展的理想材料
汽車是普遍的代步交通工具,許多均將汽車工業作為其重要支柱工業。汽車工業是現代工業中首先形成產業的典型代表,汽車正向著輕量化發展,要求節省燃油,提高時速,增加耐用性,舒適性和安全性,正越來越多地采用新型材料,其中玻璃鋼復合材料已成為重要的車用材料。因此輕量、節能一直是國際汽車工業的主題。
早在70年代初期汽車工業就開始使用復合材料制造汽車零件。進入80年代,福特、雪鐵龍等著名汽車制造廠商投入了大量人力、物力,深入開展復合材料技術在汽車工業的廣泛應用研究,極大地推動了復合材料在汽車上的應用。復合材料也從制各簡單的汽車非承力零件進入制備承力構件這一時期,復合材料高性能汽車板簧、驅動軸及全復合材料車身技術的廠家獲得了成功并投入應用。進入80年代中期后,著名汽車廠商競相在汽車結構上廣泛采用復合材料,如目前引進的北京吉普、富康、福特及雪佛萊(子彈頭)等車型均有較多的復合材料承力件運用。
玻璃鋼復合材料具有加工能耗低,輕質高強,設計自由度大,不銹蝕,成型工藝性好等優點,因此是汽車工業以塑代鋼的理想加工材料,輕質高強是玻璃鋼復合材料的大優點。近些年環境法規要求越來越嚴,客觀上也促使汽車越水越多地采用復合材料,在西歐甚至全,增強熱固性塑料的發展低于纖維增強熱塑性塑料(如GMT等),其原因在于纖維增強熱塑性塑料可回收,重復利用和不污染環境。基于此纖維增強熱塑性塑料是復合材料的重要發展方向,歐洲的纖維增強熱塑料性塑料的增長率比玻璃鋼高一倍。而對資源和環境等問題的嚴峻挑戰,推進汽車輕量化以降低油耗,一直是汽車工業重要的研究課題。傳統的汽車車身材料處于以薄鋼板為主的單一狀態,不能適應人們追求高速與輕量化的要求,為減輕其質量,改善風阻系數和降低油耗,許多汽車廠家都積極研究和利用新材料以達到上述要求。據報道,汽車質量減少50Kg 1升燃油行駛距離可增加2 Km;汽車質量減少10%,燃油經濟性可提高5.5%。國內外車身輕量化的研究方向是開發具有較高強度的輕質高性能新材料及設計新的輕量化結構,以塑代鋼是實現輕量、節能的佳途徑之一,它也進一步推動了玻璃鋼復合材料技術的發展及其在汽車零部件中的應用。當今頂級汽車公司競相研制的概念車.這是高新汽車技術、材料號性能、價格比及智慧等諸多因素完美結合的集中體現,玻璃鋼復合材料是汽車材料的首選材料,從國內外汽車應用材料看,汽車使用復合材料是必然趨勢。復合材料具有質輕,比強高(節能)易于加工和改型、耐腐蝕(免維護)等優點,因而已被美國汽車制造業大量采用,效果顯著;眼下該材料又再次被西歐汽車制造業所重視、利用,甚至掀起高潮。玻璃鋼復合材料不是一種獨立的材料,隨著原材料的發展與工藝上的改進,我國在汽車應用玻璃鋼復合材料將是今后汽車業發展的必然趨勢。
2 車用玻璃鋼復合材料的開發應用前景
玻璃鋼除輕質高強外,還具許多優勢:由于玻璃鋼系非均質材料,其吸收沖擊能量的性能較好,當汽車發生碰撞時,可避免或減少對人體的傷害:振動衰減性能優于會屬,降低噪音的效果較好:設計靈活,對設計的更改有較強的適應性:耐腐蝕性能較好,一般不必維修可使用多年等等。玻璃鋼用于汽車不僅性能優異,還具有投資少,見效快和成本低等特點。因此,玻璃鋼在汽車上應用的趨勢越來越好。玻璃鋼復合材料制品一般均為一次成型,設計靈活,尤其適于產品的流線型設計與變厚度設計,對設計的更改有較強的適應性:線脹系數為(1.5~2.0)×10-5℃,與金屬非常接近,而熱導率比會屬低,因此在有溫差時所產生的熱應力比金屬小;耐腐蝕性能好;具有良好的電絕緣性(碳纖維增強復合材料除外),并在高頻下保持良好的介電性能。玻璃鋼復合材料相對于一般塑料和工程塑料,具有不可比擬的物理機械性能;制件不易變形,機械性能與熱變形溫度較高,耐化學藥品性優,且價格較低,制品外觀質量上更佳。其應用場合包括:車身表而覆蓋件、結構與半結構部件以及發動機內部件等。
玻璃鋼在客車車身上的應用:用于客車車身外蒙皮,主要是作為側圍蒙皮和頂蓋蒙皮,也可糊制成前后圍蒙皮;制作車身零部件,如前后保險杠、儀表板、發動機蓋、冷暖風管道、城市客車座椅等;用作開發客車車身裝飾件,如水箱面罩、通風口、內飾板、輪護板等;用于車身密封,如在車身與地板的連接處、地板之間的連接處、駕駛操作區等部位的連接處,通過糊制一層或多層玻璃鋼即可達到良好的密封效果。
玻璃鋼的成型方法有十多種,普遍使用的手糊成型工藝因工藝簡單、成本低、在玻璃鋼的各種成型工藝中占有相當重要的地位。目前,客車車身玻璃鋼制件普遍使用的手糊成型法。
玻璃鋼制件的特點:玻璃鋼是一種新型結構材料,可以根據使用要求,選擇合適的組分材料,設計出性能滿足使用要求的玻璃鋼制件;玻璃鋼的密度只有08F鋼的/5,可以使車身零部件輕量化;耐疲勞、耐腐蝕。使用壽命為金屬車身的2倍;耐沖擊,即使在高速情況下翻車,其車身損壞程度不及金屬車身嚴重,可以減輕傷亡;具有良好的吸振、隔熱、隔聲、抗磁電效果。有利于提高客車整車舒適性:成型工藝好,設計自由,特別適宜于大面積整體成型、外形復雜(凹凸型)的薄壁型零部件,可設計制造流線型極佳的客車車身,同時能減少零部件及緊固件數目;成型工藝簡單、生產成本低,成品開發周期短。采用手糊玻璃制工藝,模具開發簡單,不需要大型沖壓設備,成本費用僅為鋼模的1/20,對于小批量生產和新產品開發,其優越性更加突出。玻璃鋼制件與油漆的結合力較差。涂裝時要進行相應的前處理,或添加摻合劑。若采用先進技術,無需涂漆就能達到理想效果。用于客車車身的玻璃鋼制件仍然以手工為主,所以僅適于小批量生產。但玻璃鋼制件的報廢件小能回收利用,廢棄后不易腐爛,易導致環境污染。玻璃鋼制件是易燃、易爆、有毒物品,在運輸、儲放、制作、加工過程中必須特別重視安全與勞動保護。
作為一種新型材料玻璃鋼的應用前景是十分廣闊的,尤其在客車車身上的應用也是無盡的,且客車車身玻璃鋼制件正逐漸被人們所接受。可以預期:玻璃鋼在材料領域將具有不可低估的地位,在客車車身制造中將發揮出更大的作用。
3 國內外玻璃鋼復合材料在汽車上的應用
1994年全玻璃鋼產量為 3500 kt。其中汽車用玻璃鋼接近于1200 kt,是玻璃鋼大的應用領域。1995年 SPI發表的資料表明,美國汽車用玻璃鋼已達450 kt,美國玻璃鋼總產量的30 %。汽車制造業也是歐洲玻璃鋼的大市場,1995年汽車玻璃鋼用量達 400多kt,其中轎車,輕型商業車用量占75%。其余用于重型卡車、公共汽車。1999年美國陸上運輸用途的玻璃鋼產量 560 kt,廣泛用于福特、寶馬、梅塞克斯、奧迪等轎車。
歐洲汽車用復合材料按工藝分布排列,玻纖增強熱塑性塑料(FRTP)占42%,SMC/BMC占26%,RTM/RIM占2%。熱塑性復合材料的產量主要取決于運輸市場,該市場的占有率約為46%。電氣/電子、器材/設備和其他市場的占有率分別為2%、16%、17%。
目前歐洲市場制造業的生產能力約過剩30%,汽車市場趨于飽和,增長速度緩慢;同美國一樣,增強塑料主要用于火車,轎車用量很少,大量生產具有A級表面精度車殼的大公司很少。目前歐洲汽車復合材料的數量和品種供不應求。歐洲的纖維增強熱塑性塑料比美國發展快。自1993年以來,歐洲對汽車用熱塑性復合材料需求量猛增,1993年汽車用熱塑性復合材料的產量僅為92kt,1994年增加了25%,產量達到15kt,其中市場占有率分別為聚酰胺(PA)59%、聚丙烯(PP)16%、聚乙烯(PE)14%、聚苯乙烯(PS)14%、聚碳酸酯(PC)3%,其它4%。1995年歐洲運輸市場的樹脂基復合材料總產量為450 kt,熱塑性復合材料產量約195~200 kt,占42%,其中聚酰胺復合材料占59%,聚丙烯占22%,聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)占10%,聚碳酸酯占1%,其他占8%。汽車制造業是歐洲增強塑料的大市場,在歐洲汽車用纖維增強熱塑性塑料占的比率更大。如汽車用GMT(纖維氈增強熱塑性塑料)竟占95%。目前歐洲FRTP保險杠銷售量為130 萬噸/年。
今天,全汽車保有量約有7億輛,平均每輛車應用塑料量達200公斤,占整車重量的20%。用于制作內裝飾件有儀表盤、車門內板、后護板、車內頂、座椅、發動機罩、蓋板等;外裝飾件有保險杠、擋泥板、導流罩等;功能與結構件主要有天然氣氣瓶、油箱、風扇葉片、油氣踏板、空氣濾氣罩等,其中大部分是采用玻璃鋼制成。美國復合材料的應用不斷擴展,產量逐年增加。美國50%以上的汽車用玻璃鋼部件為SMC制品,目前實用化的SMC汽車部件已有375種。SMC汽車部件是90年代美國成功的復合材料產品之一,當前,美國攻克了SMC的一些技術難關,獲得了較大的突破。預計未來5年將增長30%。
4 我國汽車工業發展對玻璃鋼復合材料的需求
我國實行改革開放以來,由于資本和技術的引進,汽車工業發生了巨大的變化。由于引進外資和國產化的實施,我國汽車零部件制造水平也有很大的提高。
零部件是汽車工業的基礎。生產玻璃鋼復合材料汽車零部件的廠家多為行業內專業廠家。從上世紀80年代中后期開始,一些涉足汽車零部件較早的玻璃鋼復合材料廠家通過汽車技術引進的輻射效應,積極采用“引進-消化-改進”模式,開發新材料新技術。密切與汽車主機廠的合作,完善玻璃鋼復合材料制品的設計,開發與改進玻璃鋼復合材料成型技術,協作開發并使用專用的成型設備和模具,不斷降低生產成本,提高玻璃鋼復合材料制品質量,開發出可用于汽車外裝飾的A級表面部件,以及相關高強結構部件和特殊功能部件。現在,越來越多的車型采用了玻璃鋼復合材料部件,SMC、RTM、GMT等先進材料和工藝的應用推廣具有相當迅猛之勢。汽車工業成為國內玻璃鋼復合材料的用戶和市場之一。
目前,我國轎車工業正處于快速發展時期。玻璃鋼復合材料在轎車保險杠、車頂、車門、前臉大框、擾流板、發動機罩蓋等外飾件以及車燈反射罩、電瓶托盤等部件中得到廣泛應用。在奇瑞東方之子和北京現代索納塔、伊蘭特等車型中,其前保險杠緩沖器支架均采用GMT成型,重量均為單件6公斤左右。在奧迪100和A6、紅旗轎車中,其后保險杠背襯均采用高強SMC模壓成型。在福田沖浪、長城塞弗等SUV車型中,采用了手糊玻璃鋼制作前后保險杠。另外,采用破纖增強PP,AS制作轎車保險杠,也有實例。北京吉普于1996年推出了BJ2020SY車,其車頂使用了FRP材料,采用RTM工藝制作,其車窗、立柱等附件采用SMC模壓工藝成型.沈飛 SFQ2022JE輕型越野車采用FRP硬頂;江鈴陸風車頂骨架采用手棚成型工藝制作。北京吉普切諾基后舉升門總成和前散熱器罩(GOP)均采用SMC模壓;大切諾基前散熱器罩采用SMC摸壓成型,但未國產化。神龍富康兩廂車后門原為ZMC注射成型,國內曾經采用RTM 工藝生產,現已改為鋼制件。一汽大眾奧迪A6轎車和上海大眾帕薩特轎車采用GMT生產前端支架和前端底扳襯里。神龍富康兩廂車裝有上、中擾流扳。其中,上擾流板采用SMC模壓和玻纖增強ABS注射工藝,中擾流板采用SMC模壓和手糊工藝。江鈴陸風車后導流扳采用SMC模壓。天津夏利王、一汽捷選和紅旗、桑塔納2000、長安奧拓,東風悅達、英格爾和北京吉普奧藍德、福田沖浪、長城塞弗、獵豹飛騰等車型均裝有FRP擾流板或尾翼。由于在大部分車型中屬選裝件,一般采用手糊成型工藝。桑塔納、夏利、捷達、富康和英格爾、奇瑞等轎車前大燈反射罩,多采用BMC注射或模壓成行工藝。也有采用SMC模壓成型工藝。北京吉普BJ212車采用SMC/BMC電瓶托盤。上海大眾帕薩特轎車采用GMT生產蓄電池托。一汽大眾奧迪A6轎車和上海大眾帕薩特轎車采用GMT生產發動機罩板;北京吉普在開發軍車項目時,采用了手糊成型工藝生產發動機罩蓋等部件。在福田沖浪、長城塞弗、江鈴陸風等suv車均采用手糊工藝生產大包圍部件,包括輪眉、踏步杠、側圍等。
除了上述提及的FRP客車整車身之外,玻璃鋼復合材料在大型、豪華中均有應用,幾乎囊括所有廠家的所有車型。國內大型豪華客車廠家有:西安西沃、安徽安凱、北京、客車、廈門金龍、浙江神馬巨鷹客車、深圳NEPLAN豪華客車以及中通客車、桂林大宇,亞星―奔馳、鄭州宇通、丹東黃海、重慶客車、天津伊利薩爾,北方尼奧普毫等,涉及應用部件有前后圍、前后保險杠、翼子板、輪護扳、裙板(側圍板)、后視鏡、位表板、倉門板等,由于其產量均不丈,而且部件較大,一般均采用手糊成型工藝制作,也有部分部件采用RTM工藝。如亞星―奔馳、宇通、西沃、黃海,伊利薩爾等長途旅游客車,其衛生間采用手糊FRP制作,單套重量在30~50公斤。許多公共汽車采用了拉擠工藝制作的空調導風罩等部件。
在中小型客車中,玻璃鋼復合材料也有廣泛應用。如南京依維柯S系列車的SMC前保險杠、手糊/RTM硬頂、BMC前大燈反射罩,都靈V系列車的SMC豪華面罩、電動門總成、三角商總成、后行李車廂門總成和FRP后圍總成等。北京御虎的前后保險杠、后擾流板均采用手糊玻璃鋼。廣州本田奧德塞旅行車的內頂棚采用GMT模壓成型。金杯旅行車前大燈和霧燈采用BMC注射成型。國內諸多微型客車的前后保險杠、翼子板等都選用手糊玻璃鋼材料。另外,在諸多公交車中采用了玻璃鋼復合材料座椅,分別采用SMC模壓、手糊和RTM等工藝制作。根據環保要求,許多公交車都采用壓縮天然氣(CNG)作為動力,30%以上的CNG氣瓶采用了FRP纏繞工藝制作。
一汽集團,二汽集團和北汽福田在目前國內卡車生產企業中涉足“重、中、輕”全系列。同時,還有山東重汽、重慶紅巖、陜西重汽、江蘇春蘭、北方―奔馳等重型卡車生產廠以及江淮汽車、南京躍進集團、北汽輕型車等中小型卡車生產廠,以及為數不少的微卡、皮卡生產廠。隨著卡車技術的提高,優化與改進以及生產量的不斷攀升,玻璃鋼復合材料在卡車中的應用取得了突破。在中重型卡車方面,玻璃鋼復合材料的應用尤其活躍,涉及前圍面罩、保險杠、翼子板、輪罩、側圍板、腳踏板,導流罩、導流板、側裙扳以及發動機內部件等部件。一汽解放改進車型142中的發動機箱體油蓋、機油濾清器外罩采用SMC模壓,車箱底板采用拉擠成型;一汽解放重卡前后保險杠、前圍面板、導流罩、駕駛室頂蓋等采用SMC模壓成型、RTM或手糊工藝成型。東風卡車前圍板、輪罩均采用SMC生產,盡管該車型已進行多次改進,但上述部件已持續應用多年。東風卡車還采用了水箱面罩、護風罩、進氣管、導流罩等SMC部件。北汽福田歐曼重卡前翻轉蓋板、左右翼子板、導流罩、導流板,側裙板、腳踏板、保險杠等均采用了玻璃鋼復合材料,主要采用SMC模壓工藝,部分部件采用手糊和RTM工藝。斯太爾重卡的面罩、副保險杠,腳踏扳采用SMC模壓成型,遮陽罩采用透明玻璃鋼手糊對模技術制作,導流罩為手糊FRP技術。濟南重汽華沃生產的沃爾沃重卡的前端面板,左右角板、左右擾流板均采用SMC或RTM生產。黃河重卡改進車型的面罩、導風罩和前圍下護面均采用SMC或手蝴FRP材料制作。
在輕卡方面,玻璃鋼復合材料的應用也在不斷擴大。一汽解放輕卡腳踏板采用GMT模壓成型;一汽488發動機導風管采用BMC模壓成型,罩蓋采用SMC模壓成型。東風小霸王前保險杠采用高強SMC模壓成型:東風多利卡等輕卡采用了SMC保險杠和前圍面罩、FRP導流罩。江鈴輕卡使用了RTM側防護扳和擋泥板,廂式貨車采用手糊FRP廂體。北汽福田時代輕卡、江淮輕卡、江鈴輕卡等采用了手糊或RTM導流罩。另外,河南冰熊、河南紅宇、濟南考格爾等專業冷藏車生產廠生產的冷藏車箱體采用FRP內外板內夾PUR泡沫材料,內外板采用玻璃鋼連續層壓工藝或手糊工藝。
5 玻璃鋼復合材料在我國汽車工業中的應用前景與趨勢
生產實踐和科學研究表明,玻璃鋼復合材料不失為較科學,理想的新型汽車零部件材料。在未來開發節能、環保的新車、快速改型換代、小批量投產方面,它將起著重要作用。我國汽車工業的迅猛發展,給玻璃鋼復合材料帶來了市場的更大商機。汽車產業已成為國民經濟的支柱產業和高新技術產業。汽車工業自主開發的條件日益具備,一些產品已經具備自主開發的基本條件。在汽車工業的需求驅動下.我國玻璃鋼復合材料將進入快速發展時期。隨著汽車業界人士對玻璃鋼復合材料的深入了解和玻璃鋼復合材料的發展與完善,玻璃鋼復合材料在我國汽車工業領域特別是轎車、卡車工業中的應用將取得更為廣泛的應用前景。
新車型的不斷涌現,市場競爭不斷加劇,產業政策的不斷調整,跨國公司汽車品牌的不斷本土化,采購零部件OEM的不斷接單,促進了更多的玻璃鋼復合材料廠家在汽車零部件方面的不斷投入。一方面仍需集中于引進車型玻璃鋼件的國產化制遺,另一方面更要在國產車型部件的更新換代發新車型部件的開發上下功夫。其重點發展方向為:
降低成本,擴大應用領域。在社會主義市場經濟條件下,競爭越來越激烈,為進一步提高玻璃鋼復合材料在汽車工業中的應用廣度和深度,適應不同車型、不同應用領域的需求,降低生產成本是一個重要發展方向。
向著模塊化設計方向發展。零部件模塊化,即由多個零部件一起來離線裝配,或多個零部件組合起來成為一個整體,有利于增強汽車輪廓的流線性,減少組裝量。零部件的模塊形式,從而形成汽車制造史上的一次革命。玻璃鋼復合材料為汽車輕量化和模塊化提供了前提條件,并逐步向結構復雜且大型部件方向拓展,促使汽車零部件開發和生產成本的進一步降低。
新技術和新工藝的開發與應用。隨著汽車輕量化的強烈要求,以及總體生產成本下降的需要,將促進新型玻璃鋼工藝的發展與完善。
隨著新車型不斷涌現及其對玻璃鋼復合材料需求的增加和提高,勢必產生新課題和新風險,這些是擺在國內相關汽車玻璃鋼復合材料生產制造商面前的艱巨任務。我國迄今整個工業體系構成仍不符合經濟規律。如我國汽車工業中整車生產企業就多達100多家,絕大多數產量均非經濟規模。這樣所需的玻璃鋼件就無法采用SMC模壓法生產,轉而求其次,以手糊或RTM生產。隨著國內汽車市場價格與國際市場價格并軌,國內汽車市場競爭的加劇,正經歷一個殘酷的優勝劣汰的過程,同時引起整車價格的下降,從而必然導致零部件價格的下降。而國內汽車零部件的開發投資基本上由各個零部件生產商承擔,必將帶來相關投資風險。同時,在保證產品質量的前提下通過加強內部管理和提高工藝技術水平來合理控制生產成本,迎接一波接一波的零部件降價,立于不敗之地。隨著汽車市場的國際化和競爭的深入,汽車整車質量要求越來越高,成本要求越來越低,只有通過玻璃銅復合材料企業不斷進行材料和工藝的改進與創新來實現。
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