熱塑性復合材料在全球最新越野車型中的應用

 　　

　　

　　當前汽車制造中，為了實現更高的輕量化設計、優異的NVH性能、出色的操控性能以及降低生產成本等目標，使用塑料和復合材料的占比越來越高。本期內容為您介紹福特、悍馬和Jeep全球最新越野車型上創新的熱塑性復合材料應用及其所帶來的優勢。

　　

　　福特猛禽(2022)

　　

　　——復合材料C型支架

　　

　　

　　

　　圖1 2022款福特Bronco Raptor SUV復合材料C型支架安裝位置

　　

　　福特汽車公司推出的2022款福特Bronco Raptor SUV車型上可以找到越野愛好者感興趣的熱塑性復合材料應用。該應用為C型支架(C-brace)，是一種結構支架，作用是將后貨物區域的D柱與后車頂橫梁連接起來，以提高整個車輛的剛度和扭轉剛度。在駕駛時支架還有助于減少振動傳遞，從而改善操控性并降低NVH。在整個開發階段進行了廣泛的非線性結構分析，以優化造型和外觀，并驗證結構性能是否滿足沙漠耐久性、不同溫度、車頂載荷和扭轉剛度值下的應力和形變要求。

　　

　　

　　

　　圖2 復合材料C型支架材料使用情況

　　

　　最終設計為一種夾層結構，其芯層由20wt%短碳纖維增強聚酰胺6(PA6牌號Ultramid B3WC4)注塑成型，上下表層由35%短玻璃纖維增強PA6 (PA6牌號Ultramid B3GM35 Q642) 注塑成型。同時新配方的甲基丙烯酸酯粘合劑(3M DB8910NS) 具有快速固化、柔韌且熱穩定的特點，可以使芯層與表皮緊密結合在一起。

　　

　　

圖片

　　

　　圖3 復合材料C型支架

　　

　　這款復合材料C形支架使車輛的扭轉剛度增加了40%，同時與鋁制材料相比，質量減少了55%，與鋼制材料相比，質量減少了85%。實現了更高的扭轉剛度和更輕的車身重量相結合，讓整車重心更低。

　　

　　悍馬電動皮卡(2023)

　　

　　——復合材料車頂框架

　　　

　　

　　圖4 2023款悍馬電動皮卡

　　

　　另一個有趣的熱塑性復合材料車頂應用來自美國通用汽車公司2023款悍馬電動皮卡，是該汽車的Sky Convertible Top的選裝軟頂。這款輕質、可手動折疊的前排軟頂可幫助客戶打造舒適的露天體驗，提供水密封和全天候性能，同時具有優異的結構強度以保障乘員的安全。

　　

　　

　　

　　圖5 Sky Convertible Top的選裝敞篷軟頂

　　

　　最新設計用鋁/復合材料的混合框架取代了之前的全鋁框架，包括左右側門軌以及后光環面板，與全鋁合金框架相比減重1.8kg，這有助于改善車輛動力學，包括加速、制動和轉彎等。

　　

　　

　　

　　圖6 鋁/復合材料的混合框架結構

　　

　　該部件的復合材料部分原材料為25wt%短玻纖/15wt%礦物增強PA6(Wellamid MRGF25/15 42H-WBK)。與純玻纖填料相比，礦物的添加可提供更高的耐熱性、機械性能、尺寸穩定性和良好的耐候性。該材料還具有出色的表面光潔度，無需表面處理即可滿足通用汽車的外觀要求，同時該材料還添加了工業后和消費后回收(PIR、PCR)樹脂，有助于減少碳排放。

　　

　　JEEP大瓦格尼(2022)

　　

　　——復合材料發動機穩定器支架

　　

　　

　　

　　圖7 2022款Jeep Grand Wagoneer SUV

　　

　　美國Stellantis的2022款Jeep Grand Wagoneer SUV上采用了復合材料發動機穩定器支架(CESB)。該支架位于發動機左右支架之間，作用是協助組裝并改善NVH。

　　

　　現有支架是由壓鑄鋁制成，需要在鑄造后去除飛邊和二次加工。Stellantis 工程部將壓鑄鋁替換為50wt%短玻纖增強PA66(BASF Ultramid A3WG10CR)，該復合材料部件提供了與金屬近似的結構強度，但質量減少了30%，降低了生產成本并大幅度改善了NVH性能。

　　

　　

　　

　　圖8 鋁合金和復合材料發動機穩定器支架NVH性能對比

　　

　　在Stellantis最新的CESB項目中，由于項目開展時己二腈 (ADN)的短缺(ADN是生產己二胺的關鍵原材料，而己二胺是生產PA66所用的單體之一)，設計團隊將纖維增強復合材料基體材料由PA66替換為熱塑性聚酯共混物。該聚酯共混物由聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET) 組成，同時具有PBT和PET兩種材料特性，即具有多個玻璃化轉變溫度(Tg)，這擴大了峰值損耗因數(NVH阻尼的一種衡量標準)出現的溫度范圍。

　　

　　根據纖維取向、化學性質和溫度的不同，聚酰胺和聚酯等熱塑性塑料的損耗系數通常比鋁高10-20倍。使用PET/PBT混合物可改善車輛整個工作溫度范圍內的NVH，峰值阻尼在55至80°C之間。同時由于高玻纖含量以及對環境濕度不敏感的尺寸穩定性(PBT和PET的吸水性遠低于PA)，這種特殊熱塑性復合材料可提供非常高的模量(>20GPa)。

　　

　　

　　

　　圖9 復合材料發動機穩定器支架

　　

　　最終設計采用55wt%短玻璃/PBT-PET(BASF Ultradur B4040 G11)注塑成型。由于注塑成型比壓鑄成型具有更大的設計自由度，因此基于各向異性材料的CAE模擬開發了一種新的肋結構。與壓鑄鋁相比，復合材料支架提供與鋁相當的機械性能，同時減重30%，生產成本降低7.5%以及更出色的NVH性能。