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        玄武巖復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用研究

        2017-10-17 03:42:00王帥李飛門立忠崔健李多
        汽車實(shí)用技術(shù) 2017年18期
        關(guān)鍵詞:無(wú)堿吸音玻纖

        王帥,李飛,門立忠,崔健,李多

        (華晨汽車工程研究能量管理室,遼寧 沈陽(yáng) 110141)

        工藝裝備

        玄武巖復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用研究

        王帥,李飛,門立忠,崔健,李多

        (華晨汽車工程研究能量管理室,遼寧 沈陽(yáng) 110141)

        玄武巖連續(xù)纖維材料是用火山噴發(fā)形成的玄武巖為原料加工而成的無(wú)機(jī)纖維材料,無(wú)廢氣、廢水、廢渣排放,是一種低投入、高產(chǎn)出、低耗能、少排放的環(huán)境友好型新材料。玄武巖纖維是玄武巖石料在1450℃到1500℃熔融后,通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維,本身具有耐高溫性佳、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、過(guò)濾性好、抗壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)。

        玄武巖纖維復(fù)合材料;托盤支架;以塑代鋼

        Abstract:Research on the Application of Basalt Fiber Composite in Automobile Continuous basalt fiber composite (CBFC)is prepared by using inorganic basalt fiber as reinforcement, which is extracted from basalt formed by volcanic eruption.CBFC is a kind of new material, which is environment friendly, productive and with low cost and low emissions.Manufacturing process of CBFC does not let any exhaust gas, waste water and waste residue. Basalt fiber(BF) is . Basalt is melt when heated to 140 ~ 150 degree centigrade, and the continuous fiber will be drawn by using Platinum-rhodium alloy stripping plates. CBFC has advantages of high temperature resistance, high oxidation resistance, high radiation resistance,good thermal insulation, good sound insulation, good filterability, high compressive strength, high shear strength , etc.

        Keywords: Continuous basalt fiber composite (CBFC); Bracket; Steel to plastic

        CLC NO.: U465 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-125-03

        前言

        美國(guó)玄武巖纖維工業(yè)聯(lián)盟指出:“玄武巖纖維是碳纖維的低價(jià)替代品,具有一系列優(yōu)異性能,尤為重要的是,由于它取自天然礦石而無(wú)任何添加劑,是目前為止惟一的無(wú)環(huán)境污染的不致癌的綠色健康的結(jié)晶(玻璃)質(zhì)纖維產(chǎn)品。美國(guó)作為世界保護(hù)環(huán)境的倡導(dǎo)者,將全力發(fā)展無(wú)污染的綠色工業(yè)材料,所以玄武巖纖維在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用已引起廣泛的重視并將快速發(fā)展?!睔W洲業(yè)界人士親昵地把玄武巖纖維稱為“金色纖維”。玄武巖纖維已成功應(yīng)用汽車消音器、防火墻、耐熱件,外墻建筑節(jié)能保溫和體育休閑用品等方面;在航天、導(dǎo)彈、汽車板簧、管材、阻燃織物等方面已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

        本文針對(duì)國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)的玄武巖纖維復(fù)合材料應(yīng)用,重點(diǎn)分析玄武巖纖維在結(jié)構(gòu)承重件上的應(yīng)用。

        1 玄武巖纖維復(fù)合材料性能優(yōu)勢(shì)

        玄武巖復(fù)合材料的特性主要表現(xiàn)在力學(xué)性能、熱物理性能、化學(xué)性能、可設(shè)計(jì)性和吸音系數(shù)較高等幾個(gè)方面。

        a)顯著的耐高溫性能和熱震穩(wěn)定性。CBF的使用溫度范圍為-260℃~880℃,這一溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于芳綸纖維(-49~474℃)、無(wú)堿E玻纖(-70~300℃)、石棉(480~550℃)、巖棉(-268~700℃)、不銹鋼(-196~538℃),接近硅纖維、硅酸鋁纖維和陶瓷纖維1260℃;熱震穩(wěn)定性好,在500℃溫度下保持不變,在900℃時(shí)原始質(zhì)量?jī)H損失3%。

        b)較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)。CBF的熱傳導(dǎo)系數(shù)為 0.031W/m·K~0.038W/m·K,低于芳綸纖維、硅酸鋁纖維、無(wú)堿玻纖、巖棉、硅纖維0.167、玄武巖纖維和不銹鋼。

        c)高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度。玄武巖纖維的彈性模量為:9100kg/mm2~11000kg/mm2,高于無(wú)堿玻纖、石棉、芳綸纖維、聚丙稀纖維和硅纖維。CBF的抗拉強(qiáng)度為 3800~4800MPa,比大絲束玄武巖纖維、芳綸、PBI纖維、不銹鋼纖維、硼纖維、氧化鋁纖維都要高,與S玻璃纖維相當(dāng)。

        d)化學(xué)穩(wěn)定性好。CBF的耐酸性和耐堿性均比鋁硼硅酸鹽纖維好。其耐久性﹑耐候性﹑耐紫外線照射﹑耐水性﹑抗氧化等性能均可與天然玄武巖石頭相比美。

        e)吸音系數(shù)較高。CBF的吸音系數(shù)為0.9~0.99,高于無(wú)堿玻纖(0.8~0.93)和硅纖維;優(yōu)良的透波性和一定的吸波性,吸音和隔音性能優(yōu)異,具有良好的隱身性能,可制做隱身材料。

        f)良好的電絕緣性和介電性能。CBF的比體積電阻較高為 1×1012Ω·m,大大高于無(wú)堿玻纖和硅纖維;體積電阻率比電絕緣 E玻璃纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí),介電損失角正切高50%。

        g)較低的吸濕性。CBF的吸濕性低于0.1%,低于芳綸纖維、巖棉和石棉。

        h)天然的硅酸鹽相溶性。與水泥﹑混凝土的分散性好,結(jié)合力強(qiáng),熱脹冷縮系數(shù)一致,耐候性好。

        i)生產(chǎn)過(guò)程零污染,完全環(huán)保。

        j)價(jià)格適中(22元/kg),是進(jìn)口碳纖維的十分之一。

        2 某車型玄武巖纖維復(fù)合材料汽車應(yīng)用研究

        2.1 碳纖維復(fù)合材料原材料制作

        圖1 玄武巖纖維復(fù)合材料

        歐洲第一批大面積使用玻纖復(fù)材的汽車進(jìn)入報(bào)廢期,因?yàn)槭褂玫氖莻鹘y(tǒng)的熱固性復(fù)材,所以大量的不可降解廢棄物給當(dāng)?shù)丨h(huán)境帶來(lái)影響。并且,現(xiàn)有復(fù)材生產(chǎn)效率低,而熱塑性塑料具有非常好的成型工藝性,可快速成型且多次熔化加工。因此,開發(fā)可多次熔融的熱塑性復(fù)材在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用成為了未來(lái)汽車輕量化材料的發(fā)展方向。

        2.2 碳纖維復(fù)合材料電池托盤方案設(shè)計(jì)

        電池托盤方案以 PP為樹脂基體,應(yīng)用玄武巖纖維母粒與PP基材熔融的方式進(jìn)行注塑,玄武巖纖維比例30%,經(jīng)過(guò)加熱冷卻即可成型,不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),成型效率極高,可以成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

        圖2 玄武巖纖維復(fù)合電池托盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.2 碳纖維復(fù)合材料電池托盤性能要求和仿真優(yōu)化

        a)模態(tài)

        b)剛度

        c)強(qiáng)度

        d)耐候性

        表1 玄武巖纖維性能對(duì)比

        根據(jù)設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)碳纖維復(fù)合材料電池托盤以替代金屬托盤,滿足空間安裝要求,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。材料選擇 PP填充長(zhǎng)玄武巖纖維提高托盤剛度強(qiáng)度和耐高溫性能,以注塑工藝成型,局部加筋。

        圖3 玄武巖纖維復(fù)合電池托盤仿真優(yōu)化

        完成數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)后對(duì)電池托盤進(jìn)行劃分網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真計(jì)算,利用仿真軟件對(duì)托盤模態(tài)、剛度、強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析,優(yōu)化結(jié)構(gòu)。 后期經(jīng)過(guò)樣件測(cè)試對(duì)比,托盤剛度和強(qiáng)度性能高于相同比例長(zhǎng)玻纖樣件10-20%。

        3 玄武巖纖維復(fù)合材料托盤優(yōu)勢(shì)

        碳纖維復(fù)合材料,以玄武巖纖維作為增強(qiáng)體,采用 PP熱塑性材料作為基體,可以設(shè)計(jì)符合汽車要求的復(fù)合材料,該材料不僅機(jī)械性能優(yōu)良,而且隔熱性能與吸音性能也很優(yōu)異,符合當(dāng)前汽車用內(nèi)飾材料的發(fā)展趨勢(shì),原材料價(jià)格介于玻纖和碳纖維之間,以塑代鋼前景廣闊。

        4 結(jié)論

        綜上所述,由于玄武巖纖維具有良好的耐高溫性能和熱震穩(wěn)定性、較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)、高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性好、吸音系數(shù)較高、良好的電絕緣性和介電性能、較低的吸濕性、天然的硅酸鹽相溶性、生產(chǎn)過(guò)程零污染,完全環(huán)保等優(yōu)勢(shì),所以玄武巖纖維的應(yīng)用是目前汽車行業(yè)輕量化的重點(diǎn)研究方向之一。充分利用玄武巖纖維的優(yōu)勢(shì)開發(fā)新型的汽車材料,既順應(yīng)了世界發(fā)展綠色新材料的要求,又能大大提高汽車的使用價(jià)值,為汽車行業(yè)創(chuàng)造更高的效益。

        [1] 胡顯奇,申屠年.連續(xù)玄武巖纖維在軍工及民用領(lǐng)域的應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用, 2005( 6) : 7-13.

        [2] 鐘智麗,劉華武. 提高玄武巖長(zhǎng)絲可織性的研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品. 2008,26( 2) : 33-36.

        [3] 吳劍青,鐘智麗.玄武巖纖維在汽車行業(yè)上的應(yīng)用前景.產(chǎn)業(yè)用紡織品, 1004- 7093( 2012) 04-0026-03.

        [4] 宋長(zhǎng)勝.玄武巖纖維復(fù)合材料在軍用裝備、汽車上的應(yīng)用.2016.

        Research on China VI evaporative emission of pollutants

        Wang Shuai, Li Fei, Men Lizhong, Cui Jian, Li Duo
        ( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

        U465 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-7988 (2017)18-125-03

        10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.042

        王帥,就職于華晨汽車工程研究能量管理室。

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