复合材料泡沫夹层结构在汽车外饰中的应用和发展

行业砖家

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。

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。

PMI泡沫自身的优势结合复合材料层压板，就可以构成结构效率高、具有高比刚度和高比强度的复合材料夹层结构。根据设计和工艺要求，通常可以采用的结构形式有PMI泡沫夹层结构板和PMI泡沫夹层结构加强筋。

应用实例

近年来，ROHACELLPMI泡沫已在在汽车外饰件上得到了应用。

1999年至2001年，雷诺汽车公司采用RTM工艺，先后成功地在Espace第三代汽车的发动机罩和第四代汽车的车顶加强筋部位使用了ROHACELL 51 IG，并采用了玻璃纤维进行增强，如图2所示。

此外，奔驰McLaren SLR汽车的车门槛板和后保险杠底杆等部件则使用了ROHACELL 71 IG，如图3所示。

在Lancer Evolution 8中，ROHACELL 51 IG被用作扰流板的夹层结构芯材，它比原来的ABS部件减轻了2kg，如图4所示。在宝马 X5中，通过热压罐工艺固化成型的以ROHACELL 为芯材的夹层板发动机盖，其重量仅为金属制发动机盖的1/4左右，如图5所示。

2006年，赢创（中国）投资有限公司联合上海同济大学一起，就“采用复合材料设计和制造大型汽车覆盖件”进行了一系列的探索和研究。其中，PMI泡沫夹心帽筋条结构的复合材料发动机盖和后背门部件已被安装在上海燃料电池汽车动力系统有限公司的新一代燃料电池汽车上。与传统的金属结构部件相比，二者分别减重37.7%和34.6%。在其开发过程中，通过采用最新的夹层结构帽筋条设计，以及树脂转移模塑工艺，实现了一步整体成型。该项目的成功使得汽车复合材料的概念不再是单纯的短纤维增强复合材料（例如SMC、GMT），而是将纤维增强复合材料、设计与制造工艺相结合，并与其他材料相结合，实现了最终的多材料结构方案。

由上述实例可以看出，采用ROHACELL 泡沫芯材的夹层结构能大大减少汽车外饰件的重量。

总结

将PMI泡沫与其他材料及加工工艺结合，有利于汽车的轻量化发展。随着材料轻量化技术，包括设计、生产工艺、装配、连接及材料性能等的不断发展和成熟，未来基于复合材料的多材料轻量化结构是汽车轻量化及汽车外饰件材料的发展趋势。通过不同材料、结构和制造工艺的相互结合和补充，可以简单方便地实现设计和制造的模块化，以使所用材料和零件的功能达到最佳的组合。目前，汽车的轻量化技术还处于不成熟阶段，在未来将有很大的发展空间。