复合材料泡沫夹层结构在汽车外饰中的应用和发展

复合材料泡沫夹层结构在汽车外饰中的应用和发展

作者：赢创德固赛范海涛

汽车外饰目前的材料体系

汽车外饰件，即汽车外部的功能性或装饰性部件，主要包括保险杠、翼子板、车身裙板、外侧围、进气道、车顶盖、车门、散热器格栅、发动机罩、扰流板、防擦条、后门拉手和脚踏板等。由于其所处的位置（外部）和具有的功能（防撞等），这些部件所用材料要求具有较高的强度、韧性、耐环境条件的性能及抗冲击性能。

随着汽车工业和材料工业技术水平的不断提高，汽车外饰材料已逐渐走向多元化。除了普通钢材以外，高强度钢、铝镁合金、工程塑料和各种复合材料也正得到越来越多的应用。

其中，复合材料以其质量轻、可设计性好和抗腐蚀等优点日益得到广泛应用。

图1 夹层结构的概念

一般，选用汽车外饰材料的决定因素包括：材料成本、生产率、加工难度、设计方法的成熟性以及汽车重量等。根据汽车类型的不同，所用复合材料种类也不尽相同。

对于普通轿车而言，成本和生产率是着重考虑的因素。因此，除了金属材料外，目前此类汽车最常用的外饰材料是热塑性塑料（有时加入短玻璃纤维增强）。这类材料可以通过注射模塑工艺实现量产，具有较高的生产率。与热塑性塑料相比，热固性塑料的应用较少。一般，只有两种工艺能够实现热固性复合材料的中高规模的量产：即片状模塑成型（SMC）和树脂转移模塑成型（RTM）。

图2 ROHACELL在雷诺第三代和第四代Espace汽车上的应用

运动型和概念验证型轿车通常对低重量、高强度/刚度的要求较高，一般不需要实现大规模量产（即对生产率要求不高），其面向的市场可承受较高的成本，因此此类汽车的外饰广泛采用了纤维增强复合材料。

而承担运输任务的卡车和拖车，其车体重量对运输成本有较大的影响，因此此类汽车也有采用复合材料（纤维增强复合材料、夹层板等）的实例。

表中列出了复合材料在某些车型外饰上的应用。其中SMC为片状模塑成型，RTM为树脂转移模塑成型，RIM为反应注射成型，VI为真空树脂注入成型。

可以看出，纤维增强复合材料等已随着技术的成熟而得到广泛应用，应用部件包括车门、发动机罩、前格栅、翼子板、保险扛骨架、门柱护板、通风百叶窗和导流罩等近20种外饰件。

多材料混合结构体系

复合材料在汽车外饰上的应用动力来自于汽车的轻量化趋势。

图3 ROHACELL71 IG在奔驰McLaren SLR汽车上的应用

汽车的轻量化包括材料的轻量化和结构的轻量化。材料的轻量化一般通过采用轻量化的金属和非金属材料来实现，主要包括高强度钢、铝镁合金、工程塑料以及各种复合材料。目前，尽管钢铁材料仍在汽车材料中占据主导地位，但其比例逐年下降，而铝合金、镁合金、工程塑料和复合材料等轻量化材料的应用比例则逐年上升。材料轻量化，尤其是基于复合材料的材料轻量化，已成为世界汽车材料技术发展的主要方向之一。

自20世纪60年代复合材料被引入汽车制造业后，其在提高汽车性能及减轻重量方面的优点已得到证实。复合材料具有比强度高、比刚度高、性能可设计和易于整体成形等许多优异特性，将其用于汽车结构上，可凭借比常规金属结构低的重量达到同等的性能，这是其他材料无法或难以实现的。

美国先进汽车技术能源事务部曾与美国汽车研究委员会联手，从事有关汽车结构的先进材料、加工方法和装配技术的开发项目，其重点之一就是汽车结构用复合材料的开发。20世纪80年代末，USCAR下设的汽车复合材料委员会也开展了此方面的研究。

最近德国Paderborn大学的O.Hahn等人提出“多材料轻量化结构”及“合适材料用在合适的部位”两个概念，指出了车身材料的发展趋势，即通过对多材料复合体系进行结构优化，在改进汽车性能的同时，显著减轻车身重量。当前，材料的组合以高强度钢、铝、镁和复合材料为主。目前汽车中使用的复合材料形式主要有：金属基复合材料、纤维层压板、编织复合材料以及夹层板等。

图4 ROHACELL在Lancer Evolution 8上的应用

基于复合材料的多材料轻量化应用的一个典型实例是道奇SRT-10。该型轿车采用了多种复合材料及多种制造工艺。其翼子板采用了玻璃纤维增强复合材料（反应注塑成型工艺），发动机盖采用了玻璃纤维增强复合材料（SMC工艺），翼子板支撑面、挡风玻璃窗框和门板采用了碳纤维增强复合材料（SMC工艺）。

但是，基于复合材料的多材料轻量化尚未在汽车领域得到广泛应用，主要原因是：

复合材料的加工工艺大多不能适应高产量的生产需求，因此需要在工艺上进行改进，以缩短目前复合材料部件的生产时间；

复合材料加工工艺的自动化水平有待提高（特别是增强材料铺放的自动化），以降低制造成本、缩短生产周期及实现质量控制的自动化；

原材料价格较高，影响了复合材料的大量应用；

目前能够满足新的报废汽车法规的复合材料及工艺十分有限；

汽车用复合材料的检测方法还不够完善；

需要开发专门的汽车合成材料的设计程序，尽管所有汽车制造厂都已开发了用于金属零件的设计程序，但该程序一般不能为复合材料所用；

还需要开发新的复合材料数字模拟，并要求这些模拟在3个方面具有判定能力，即典型材料性能的可用性、材料模拟的精确性以及要求的计算结果。

基于多材料结构体系的轻量化过程的最终目的是：在基于多材料多结构体系基础上，实现模块化制造和装配，其中包括复合材料夹层结构。

图5 ROHACELL在宝马X5上的应用

PMI泡沫夹层结构的特点

夹层结构是一种多材料混合结构体系，通常由上下面板及中间的芯材组成，如图1所示。芯材一般采用轻质材料（通常为蜂窝或者泡沫），它既可承受剪切载荷，也能起到减震和吸收噪音的作用。面板一般采用强度和刚度均较高的复合材料，可以是层压板，也可以是缠绕或编织成型的复合材料板。夹层结构传递载荷的方式类似于工字梁，上下面板提供面内的刚度和强度，承受由弯矩或面内拉压引起的面内拉压应力和面内剪应力，芯材提供面板法向方向的刚度和强度，承受压应力和横向力产生的剪应力，并支持面板，使其不失去稳定性，并可较大幅度地减轻构件的重量。并且，由于芯材较轻，面板较强，从而能同时达到重量轻和性能好的要求。

复合材料夹层结构可以采用聚甲基丙稀酰亚胺（简称“PMI”）泡沫作为芯材。

PMI泡沫最早由德国罗姆公司于1972年开发研制出来，经过30多年的发展，目前已形成了一系列的产品。现在市场上的PMI泡沫产品主要是德国赢创德固赛公司（前身为罗姆公司）生产的ROHACELL。

PMI泡沫是通过固体发泡工艺制作而成的，其孔隙基本一致，且为均匀的100%闭孔泡沫。在相同密度条件下，PMI是已知泡沫材料中强度和刚度最高的泡沫材料之一。PMI泡沫具有如下性能特点：不含氟里昂和卤素；易于机械加工，不需要特殊的机具；能够热成形，并保证100%闭孔泡沫，且具有各向同性；与各种树脂系统兼容（湿法和预浸料）；具有较高的热变形温度、强度-重量比和耐疲劳性能；在加工过程中，具有很好的抗压缩蠕变性能，可以适用于包括中温环氧、高温环氧以及BMI树脂预浸料等的复合材料夹层结构共固化工艺。该泡沫在高温下具有优异的耐蠕变性能，因而能够应用于需要高温固化的构件。经适当的高温处理后，PMI泡沫能适应190℃的固化工艺并保持尺寸稳定性，适用于与环氧或BMI树脂共固化的夹层结构构件中。