汽車用非織造材料所用的纖維包括聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、碳纖維和天然纖維(如再生棉纖維、亞麻、大麻、黃麻和劍麻纖維等)。
1 聚酯纖維
1.1 PEN
由于新型聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)纖維具有極其優異的物理機械性能和廣泛的用途,引起了眾多化纖制造廠商的濃厚興趣,紛紛投資建設PEN纖維制造廠,并進行新產品的開發,如杜邦、帝人、東麗、東洋紡、伊斯曼、ICI(帝化)、赫司特等公司均處于領先地位。
PEN纖維比PET纖維具有更多的優異性能,模量高,尺寸穩定性好,不變形,彈性足,剛性好,在產業用紡織品方面前景十分看好,目前主要用于:⑴汽車防沖撞充氣安全袋。這種安全袋折疊后體積小、重量輕、強度高、阻燃性能好,由PEN纖維制織的織物可滿足此要求;⑵輪胎的骨架材料。由于PEN纖維具有較大的回彈性和剛性,能夠滿足對橡膠骨架材料的耐高溫性、抗疲勞性、抗沖擊性、粘結性和抗蠕變性的要求,因而將成為替代鋼絲、PA66、PET等的理想材料;
日本的東洋紡與帝人公司合作,采用復合紡絲工藝和技術,已經開發出PEN/PET皮芯型復合纖維,它具有性能優異、成本低的特點,用于骨架材料輪胎簾子線時,與橡膠的粘結性非常好,也可用于制織汽車椅罩、安全保護帶等。
1.2 乙烯基酯樹脂
乙烯基酯樹脂是采用環氧樹脂與不飽和酸反應制成的,使其具有類似于環氧樹脂的力學特性的同時,更具有不飽和樹脂的工藝特性。由于環氧乙烯基酯樹脂以其具有的足夠的機械強度和剛度、耐熱循環、耐腐蝕的獨特性能,更好地滿足了高品質FRP產品的要求。
美國福特四輪驅動Aerostar橫梁是采用FRP部件設計制造的。多功能車的前橫梁/橫向彈簧,這一體化構件雖小但結構復雜,且可承受高載荷,只需用螺栓將其固定在車上。由于結構強度、剛度、耐久性和懸掛等性能要求,所以采用的材料主要是玻璃纖維增強材料和乙烯基酯樹脂,制造工藝為RTM。在六個裝附件處和緩沖塊安裝處,由鋼嵌入件增強以承受很高的壓縮載荷。結構本身由聚氨酯泡沫芯材和變厚度的復合材料蒙皮組成。其他裝附件處如低位懸臂梁處則采用玻璃纖維織物增強。除了轉向架,減震器、低位控制臂和緩沖塊外,橫梁還在兩個裝附件處支撐橫向片簧,此設計是基于路面坑洼沖擊(3g)、急轉彎(1g)、最大前輪加速和制動1g的組合作用。剛度和耐久性要求的依據是原有鋼結構件。該構件重27kg,而同樣的鋼構件重33kg。
目前,國內幾家主要的汽車FRP部件生產商將我們的模具乙烯基酯樹脂應用到FRP汽車部件的模具制作和制品上,有手糊模具、RTM模具、真空吸塑模具、聚氨酯發泡模具,他們的產品主要應用于亞奔、大眾、依維柯、大宇、凱斯鮑爾等車型上。
1.3 芳綸
芳綸是一種高科技特種纖維,它具有優良的力學性能,穩定的化學性質和理想的機械性質。它的全稱為“芳香族聚酰胺纖維”。芳綸在汽車上的應用量年增長率接近10%。摩擦材料是全球最大的芳綸市場,大多用在汽車的制動系統上。2002年摩擦材料消耗了芳綸總銷售3.1萬t中接近35%的份額。工業化國家中摩擦材料中使用芳綸的量占有很大的比率,而發展中國家在摩擦密封材料領域里應用芳綸還剛剛起步,但這些國家的汽車市場發展迅猛,同時又面臨環境保護,要求開發無石棉摩擦材料。因此,從全球來看,芳綸的消費量將會有較大的增長。在這個過程中,充分利用芳綸邊角料,既不浪費資源,又不污染環境,是一種具有良好發展前途的方法。
2. 聚丙烯纖維
在汽車塑料件所用塑料材料中,聚丙烯是用量最大、發展最快的塑料品種,其原因不僅是由于聚丙烯材料本身具有密度小、成本低、產量大、性價比高、化學穩定性好、易于加工成型和可回收利用等突出特點,而且還因為該種材料可通過共聚、共混、填充增強等方法得到改性,因而可適合不同的汽車零件的使用性能要求。目前可用于汽車零部件的聚丙烯材料已有多個牌號的品種,可分別作為汽車保險杠、儀表板、方向盤、車門護板、發動機冷卻風扇以及車身暖風組件等多種零部件的材料。
自增強聚丙烯復合材料(Self-Reinforced Polypropylene Composite,簡稱SR-PP)是一種由高定向性的聚丙烯纖維和各向同性的聚丙烯基材組成的100%聚丙烯片材。SR-PP是繼GMT之后國外最新開發應用的一種熱塑性復合材料,它由英國Leads大學研制成功。2002年初,Amoco纖維有限公司在德國Gronau建立了第一條生產5000t SR-PP的生產線,其生產的產品目前主要用作車底遮護板。SR-PP片材及用其制作的車底遮護板除了具有重量輕和良好的抗沖擊性能外,還具有優異的抗石擊耐磨性。這就使得SR-PP特別適用于車底部件的生產,它使車底部件采用更薄的材料成為可能,從而在減重方面具有更大的潛力。
2.1 玻璃纖維
目前用于高性能復合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強度玻璃纖維性價比較高,因此增長率也比較快,年增長率達到10%以上。
目前,最好的漆面保護方式是玻璃纖維素鍍膜。玻璃素纖維具有高密度的化學特性,使保護膜具備了如盔甲般的高強度及卓越的伸縮性,可有效防護灰塵、酸雨、鳥糞等各類含酸堿物質對車漆的侵蝕,有效提高漆面光潔度、硬度,具有高防護性,超持久性。一次施工可有效護理漆面達2年以上。除了漆面以外,玻璃滑水膜也是雨季必備的護車措施。玻璃滑水膜采用全純氟素環保材料制造,利用氟的排水性,使雨水在接觸玻璃的瞬間變成水珠飛濺滑出,使視線更加清晰,其滑水功效可達半年。
以玻璃纖維增強的聚丙烯具有較低的密度、低廉的價格以及可以循環使用等特點,目前正逐步取代工程塑料與金屬在汽車儀表板、汽車車身和底盤零件中的應用。在車用玻璃纖維增強塑料中,長玻纖增強聚丙烯(Long Glass Fiber Reinforced Polypropylene,簡稱LGFPP)是倍受人們關注的新品種之一。作為汽車模塊載體材料,該材料不僅能有效地提高制品的剛性、抗沖擊強度、抗蠕變性能和尺寸穩定性,而且可以做出復雜的汽車模塊制品。
寶馬2002款Mini Platform車的前端支架采用Stamax LLC公司的30%長玻纖聚丙烯注塑成型的。聚丙烯支架把散熱器、喇叭、冷凝器、托架這樣一些前端部件都整合“懸掛”成為一個零件,從而降低了成本,并且比GMT車的零件重量減輕了大約30%。Dow Automotive公司推出一種將長玻纖聚丙烯與鋼結合在一起的塑料/鋼混合系統,它不采用外覆成型,而是采用DOW公司開發的結構膠黏劑系統。一種叫作低能表面膠黏劑(LESA)的雙組份丙烯酸一環氧樹脂膠黏劑將聚丙烯黏接在金屬上,無需火焰加熱或者電暈處理,也不用刷底層膠。
長玻纖增強聚丙烯可作為汽車模塊載體材料。最近,新福特Fiesta車型前門模塊也相繼由Owens Coring汽車公司開發成功,該車門模塊集成了多種功能元件,諸如門鎖、車門玻璃升降器、揚聲器、防盜裝置等,采用的載體材料是DSM公司的牌號為StaMax P30YM240長玻纖增強聚丙烯材料。長玻纖增強聚丙烯材料即使經受100℃的高溫也不會產生明顯的蠕變,且比短玻纖增強聚丙烯有著更好的抗蠕變性能。
2.2碳纖維
碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能。在加裝汽車座椅加熱裝置方面德國諾頓NOLDEN汽車新概念公司將最新碳纖維加熱元技術應用上了,任何一款汽車都可以加裝含有這種技術的汽車座椅加熱系統,從而使汽車駕駛更加舒適和提高汽車檔次。與傳統的熱電阻絲座椅加熱技術相比,碳纖維加熱元技術顯示出了更多的優點。傳統的座椅加熱產品由一根以S形或正弦型,由上而下或由左至右波浪般布置在加熱墊上的熱電阻絲組成。如果這根電阻絲在加熱墊的使用過程中任何一處損壞或斷掉,例如由過熱或機械損傷引起,結果是加熱墊大面積不能工作,直至整個加熱系統完全失效。
相反,而在碳纖維加熱元技術上,應用了網聯技術。人們在加熱墊的整個加熱區域上并、串聯布滿了許多微小的碳纖維網。如果有一根碳纖維在某處損壞,則結果只是在受損區域上有局部熱損失,而加熱墊其它部分仍然能夠正常工作。這就使得加熱墊可根據所需尺寸的大小進行裁剪,密布或折疊。諾頓碳纖維加熱墊熱載荷明顯小于傳統的電阻絲加熱墊。安裝了此加熱系統的座椅表面平整,能感到座椅的溫暖和舒適,但感不到碳纖維的集中加熱源。相反,由于電阻絲熱載荷大,電阻布線分布稀疏,在加熱墊的整個加熱區域上電阻絲附近溫度高,電阻絲之間溫度低的現象,導致加熱墊溫度分布不均勻的缺陷。
長期使用傳統的加熱座椅,熱阻絲紋路在整個座椅上變得清晰可見。與其相比,安裝碳纖維加熱墊的座椅則非常平整光滑,長期使用座椅表面無紋路痕跡。碳纖維加熱墊熱量在整個座椅加熱區域上均勻釋放,溫度分布均勻,并且舒適感強。特別是對皮革座椅面料,這種均勻溫度分布與傳統加熱墊的溫度分布相比較,避免了熱阻絲加熱技術的缺陷,表現出了其獨特的優點;熱阻絲加熱技術對座椅表面進行不同的加熱,它將會使皮革座椅表面靠近熱阻絲之處變干,進而褪色。
美國Rennworx公司是一家進口多種高級輪圈和零件的公司,已經與Dymag公司達成協議定制進口一整系列Dymag碳纖維滾軸。他們的產品已經應用在很多頂級汽車輪罩拱(wheel arch)上,包括Ascari跑車、Mosler和Koenigsegg。這種新的輪胎與傳統的相比,還能提供很多的動力學好處,比如提高加速度,改善制動效果和操縱感受,允許更好減震設置以及更好的散熱效果等等。