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BMC在汽车用复合材料上的创新与发展

放大字体  缩小字体 发布日期:2009-10-16   来源:复材在线   浏览次数:2257  分享到: 分享到腾讯微博
BMC材料因为其特有的优良性能,在汽车行业得到广泛使用,发展前景十分乐观。

BMC(DMC)由于具有良好的抗蠕变性能、机械性能和耐热性能已在汽车工业中有多年应用的实例,如车灯反射镜、引擎罩壳、正时齿轮罩和小电机端盖等等。最新开发的材料主要应用于汽车发动机上,其特点是具有极精密的尺寸精度和使用中在-40°C 到 150°C温度条件下的尺寸稳定度。其应用实例为电子节气门(ETC)空气调节阀(ACV)的阀体与一些传动系的零部件。本文概述了用BMC替代铝质ETC阀体的成功案例。

BMC材料是由矿物填料、热固性树脂、短切玻纤等组成。典型的配方可由13种组份混合而成,其不同的配比可以满足客户对成型品的不同要求。这项技术追溯起来已有60年历史,而根本性的改进是近15年内,除了材料配方之外成型的模具和设备都有许多革新。

一直以来,BMC主要应用于三个领域,即电气、汽车和家用消费品。而电气市场也是BMC应用最久最成熟的领域,如塑壳断路器外壳、小电机端盖、开关箱体、大型熔断器罩壳等。主要得益于BMC材料的极其优良的绝缘能力、耐高温能力和UL94 V0的阻燃能力。

其次,BMC突出的可着色性优于其它热固性树脂模塑料,几乎可以配成各种颜色和外表,例如配成仿大理石的外观,应用厨卫领域的池盆、家用电器的外壳。以及电熨斗的底板等等。

当然BMC最大的应用市场还是汽车工业,虽然应用的种类不如上述电气和家用消费类市场,但消耗的总量远大于上述两个部门。在汽车上的典型应用有:车灯反射镜、阀盖和一些小型外部零件如阻流板、指示帽、挡泥板支架等。相比之下,铝压铸零件确有超级的耐热性能,但是其模具的使用寿命和制造成本,零件制造周期及其单重与BMC相比较都处劣势:而热塑性工程塑料有较低的比重,而且设计师也比较熟悉,还能焊接,利于装配,不过与BMC相比较其材料成本(单位体积之价格)昂贵,热性能甚差。对汽车工业来讲,降低成本和减轻重量是长久的话题,其中用塑料或复合材料替代金属零部件是一直进行的途径。电子节气门技术的开发打开了复合材料新应用的大门。因为电子节气门的几何轮廓远比常规的机械式节气门复杂许多,由于驱动电机、节气门开度传感器和减速齿轮组等都集成装配在节气门体上,可想而知,采用铝压铸节气门体其压铸成型和机械加工的难度成指数倍地增加。

节气门的作用是控制进入发动机的空气流量。电子节气门是一种柔性控制系统,通过节气门体上的电机驱动节气门,取消了传统节气门与加速踏板之间的直接机械连接,在电控单元的控制下,可实现节气门开度的快速精确控制。其优点为:可以根据驾驶员的意愿以及排放、油耗和安全需求确定节气门的最佳开度;可设置各种功能来改善驾驶的安全性和舒适性,如牵引力控制、巡航控制、怠速控制等,从而使发动机控制更加理想;解决了传统节气门难以根据汽车的不同工况相应地做出精确调整的问题,特别是在冷起动、低负荷和怠速工况下会导致经济性下降、有害物质排放量增加等问题。

显然在油价超高的环境下,这是完全符合消费者的利益,专家预测,到2014年发达地区国家中将90%以上,发展中地区与国家将60%左右采用此项技术。正是由于这项技术的设计复杂性和市场的迫切需求,促成寻找成本较低、性能有效的材料来制造电子节气门。通过世界上一流的电子节气门制造商、复合材料的精密成型商与原材料供应商之间的紧密合作,最终选定BMC材料通过注射成型工艺来制造这种电子节气门阀体。

ETC的性能特征

ETC本质上是一种阀门,用于控制进入进气岐管的空气流量(见图1和图2),事实上我们的感觉好像这种踏板是控制进入发动机的燃油,称之谓“油门”。其实这是一个“空气踏板”,当施压发出信号送至控制模块,然后再发信给驱动电机打开或是关闭气门来控制空气进入系统时,空气进入的流量通过氧气传感器检测并发出燃油喷入量的控制信号。这种阀体的平滑运动可优化燃油的效率和发动机的性能。这就要求阀体绝对可靠稳定,不仅最初的尺寸精度要严格控制,并在-40°C 至150°C的操作温度下仍要保证阀体与阀片的尺寸稳定性。另外,这种尺寸的稳定性必须表现能承受发动机内各种流体的浸渍抗蚀能力,诸如各种牌号的燃油、机油、清洁液、变速箱油、制动液和动力转向油等等。

ETC还必须具有优良耐震抗冲能力及噪音的阻尼能力。图3至图12表明了BMC相对于各种热塑性工程塑料在各种温度、油料及乙二醇浸渍1000h,2000h后的多种机械性能对照表,可以看到在耐乙二醇方面PPS表现还满意。BMC较之ETC传统选材提供了良好的性价比。图13和图14列出了BMC与铝质的最新价格对比,其优越性显而易见。对于PA66和PPS也是同样。尽管BMC有较高的比重,但单位体积的价格也明显优于铝材41%,PA6627%,PPS62%。用BMC替代铝质的ETC阀体大致可节省25%的成本。这并未计算铝压铸件制造中各子系统的消耗。采用BMC成型的模具费用比铝压铸成型模具节约许多,且模具寿命长了的许多。BMC材料适用于ETC阀体模塑时材料零收缩,在-40°C 至150°C发动机工作温条件下保持尺寸的稳定。所谓“零收缩”就是模塑品完完全全复制了模腔的尺寸。阀体的几何形状极其复杂,由图15可以看到离型前极其复杂的热应力分布图,从而导致制品后固化时零件冷却及应力释放引起的工件变形。

BMC的比重为2.0g/cc较之铝压铸品比重2.7 g/cc轻了25 ~ 30%。这一减重有效地降低油耗并且减小了震动应力。对于冬天结冰, BMC材质也有优势。一旦在铝质阀体表面结冰,因铝是良好的导热体,要溶化这个冰层往往要采取附加的加热措施。而对BMC材质导热率低,天冷时顶多表面结霜,而化霜也较容易。

BMC材质较之其它热塑性工程塑料有极大的抗蠕变的能力,也是尺寸稳定的重要因素。电子节气门要求苛刻,尤其是尺寸精度和热稳定性。行业间一流的ETC的OEM供应商和BMC材料及制品商的成功结合,采用BMC阀体替代铝质阀体,开创了BMC在汽车用复合材料领域内的新视野、新台阶。

BMC材质较之其它热塑性工程塑料有极大的抗蠕变的能力,也是尺寸稳定的重要因素。电子节气门要求苛刻,尤其是尺寸精度和热稳定性。行业间一流的ETC的OEM供应商和BMC材料及制品商的成功结合,采用BMC阀体替代铝质阀体,开创了BMC在汽车用复合材料领域内的新视野、新台阶。

从汽车从前部的撞击试验来看,撞击中BMC阀体会破碎,而铝质阀体不会破碎,这正好是体现BMC可吸收能量,能缓冲能量传递的途径至车身部位的功能。虽然正前方的冲击试验中,BMC阀体会破碎,但正常使用的寿命周期可达150,000英里或15年运行周期。比起那些通用的热塑性工程塑料,BMC阀体具有超一流的耐车用的各种流体的浸渍、抗蚀能力。更重要的一点,在发动机周围运行,其材质在150°C时其机械性能损失程度也是至关重要的,图3至图5显示了BMC和其它热塑性工程塑料的对照数据。
 

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