汽车保险杠材料的选择与加工(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 lightweight technology connotation is: using modern design method and effective way to optimize the automotive product design, or the use of new materials on the premise of ensure the automobile comprehensive performance index, reduce automobile products as its weight, weight loss, in order to achieve comprehensive indicator of consumption, environmental protection and safety. In order to reach the goal of automobile energy conservation and emissions reduction, this paper selected two kinds of sea composite (GMT) to replace the traditional metal materials used in the car bumper, and analyze them assessment, final decision one of these materials. At the same time the processing molding technology were expounded, and finally through the analysis of this material can be used as a car bumper replacement materials.【key words 】bumper composite GMT 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。

2.2 GMTGMT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%~45%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。