玻璃纤维增强聚丙烯为材质生：产汽车车体试验研究

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按照世界资源研究所的规定.公路车辆排放的温室气体应该占全球人为温室气体排放量的 l0% 由于汽车行业的迅速发展。这-数字会继续增加。2010年在全球的汽车生产数量达到7 760.99万辆 由于越来越多的人们意识到了气候变化以及交通行业对气候变化的影响，节约燃料 、减少 CO 的排放量成为汽车行业面临的首要挑战。为了减少温室气体的排放。欧盟采取了-项新的策略.以减少进入欧盟市场的汽车和货车的CO 排放量，即到 2012年，进入欧盟市场的汽车，其 CO 排放量不得超过 120g/km。要达到120g/km的排放量.以汽油为燃料的汽车的燃油消耗量应保持在 5.1L/100km.以柴油为燃料的汽车的燃油消耗量不应超过4.6L/100km 以柴油为燃料的汽车不同于以汽油为燃料的汽车.这主要是因为柴油比汽油含有的能量更多 f每升柴油比汽油大约多含有 1O%的碳1 燃烧 1L汽油和 1L柴油 的二氧化碳排放量撒于燃料的化学成分.但大概分别是 2.36kg和 2.60kg。

通过对比以柴油为燃料的热值和以汽油为燃料的热值.我们发现以柴油为燃料的汽车比以汽油为燃料的汽车每千米消耗 的燃料要少 影响汽车燃料消耗 和CO，排放量的决定性因素就是汽车的重量，减轻整车的重量是研究的重点。研究表明.汽车重量每减少1O%.燃料消耗就由原来的6%到减少 8%021。如果汽车重量平均减少 68kg.那么每加仑 的燃料消耗就能让汽车多行驶 1.6km f大约 0.423km/L)。在对 CO 排放 量 的影响方 面 ，如果汽 车重量减 少 lOOkg。那么CO 排放量就减少 12.5g/km。-般而言 ，至少有三种方 法可 以减少汽车 的皮重 ：-是缩 小汽车 的尺寸 ：二是优化设计 以最大程度地减少重量 ：三是汽 车结构上采用轻质材料.但不能影响汽车的安全性和耐用性。前两种方法都已经被采用了，因此 ，未来唯- 能够在节约燃料方面带来重大突破的就是车身和底盘零部件采用轻质材料。通过分析车身和底盘零部件的材料含量 .我们发现车身和底盘零部件 占整个汽车重量的 70% 因此 .车身和底盘零部件是减少重量的关键部分 最有可能减少汽车重量的方法就是采用人们所说的白车身结构 fBIW1。BIW 单独占了大约整车重量的26%高强度 f对设计底盘和气缸盖的主要要求1、高硬度 f对设计汽车BIW结构以及气缸柱的主要要求1以及低密度是对能够提供 良好性能的特定材料的物理特性的最主要的要求 以上材料的可利用性和低成本f此处指原材料和其加工品1将使其在汽车制造业方面具有广阔的应用前景 许多轻质材料可以用来生产BIW结构 不过以碳纤维为主的高级复合材料能够最大程度地减少汽车重量 f大约可以减少 40%J 65%1，不过.由于其能源消耗比较多.回收比较困难以及成本较高，该材料还没有应用到汽车行业。经证明，铝收稿 日期：2012年 12月 25 Et 修回日期 ：2013年7月22日第-作者：吴正乾，男，1981年生，湖南省娄底市人 ，硕士，讲师；研究方向为车辆工程。E-mail：28211499###qq.com中国农机化学报 2013年可以作为轻质材料.减轻汽车重量.并且不影响汽车的安全性和耐用性 尽管在铝合金方 面我们有技术优势.但由于缺乏对汽车产品的整个生命周期进行全面的经济分析 ，铝合金在取代传统材料 f比如说钢1方面 .还是 比较缓慢 的 玻璃纤维增强卞模塑料fSMC1是应用最广泛的复合材料体系.主要用在汽车 复合应用上 SMC的主要特点是能 够挤压成型 。

相对于钢来说成本较低并且密度较低 但是由于纤维随机定向.纤维体积含量较低以及使用低性能纤维 .SMC以及现有的其他材料体系只能适度地改善结构性能.减少汽车重量.从而降低了其在汽车材料方面代替钢的可能性 尽管如此.复合物仍然可以用 在汽 车 的非 结构 构件 上 .比如螺 栓 紧固 的外壳 而且现在大部分复合物都是玻璃纤维增强的热固性聚合物 .比如 SMC 只有 8%的传统汽车采用复合物或塑料材 质 .并且这些材质都用于非结构性零 部件13，41。

聚合物复合材料-般包含两种或者多种材料组成纤维.比如玻璃纤维和碳纤维.并且是热固性或热塑性聚合物材料增强纤维 现在.玻璃纤维增强的热固性复合物在汽车领域是应用最广泛的.不过 。热塑性复合物和碳纤维增强热固性材料也有可能被应用 据估计.玻璃纤维增强聚合物用作结构性零部件可以使汽车重量减少 20%～35%l 3 采用轻质材料来减少汽车重量是-个令人关注的发展方向 它会使 CO，排放量远远低于 120g/kin 从 CO，排放量的角度研究 了采用纤维玻璃增强热塑性材料的车体.旨在减少 CO，的排放量1 材料准备聚丙烯可以用作汽车车身的材料 复合材料包含70%的聚丙烯 .它是复合材料的基质.也被叫做连续相。也可以在复合材料中加入纤维玻璃.占30%.用来生产汽车车身.增强复合材料的强度、硬度和其他力学性能 复合材料在 200℃的温度下从挤压机 中生产出来2 试验步骤挤压机是注射成型机的-部分.该机器用来处理高温树脂和复合材料 .主要包含合模装置、高速运转装置、高压装置和具有三个典型分区的高温装置2.1 送料区域该区域主要用于预热复合材料 .然后把它输送到其他区域 螺旋杆深度不变.可以将足够的复合材料输送到测量区域.但复合材料不应该过多.否则测量区域会超载运行 利用螺旋和摩擦的几何学知识 .通过反复试验，实现了最优设计。螺杆和桶 的性质跟复合物的力学性能和物理性能有着密切关系2.2 压缩区域慢慢减小螺杆的深度.以压缩复合材料。它可以将堵塞的气囊压缩回到送料区域 .从而提高了复合材料的热输送性能2.3 测量区域该 区域 的螺杆深度是不变 的 .但远远小 于送料区域的深度。在该区域，熔体均匀，便于以恒定速率在统-温度和压力下向冲模输送复合材料 该区域的熔体具有粘性.沿着统-渠道流动 在复合材料的设计计算 中 .必须不断增加作用在螺杆上的压力。设备运转过程 中，也会遇到风险。因此 ，在需要人工操作的区域 .要采取预防措施以降低受伤的风险。

该卧式注射成型机.具有线性螺旋注射装置和高速节能螺杆式合模装置 根据工作条件和需要.该机器可以人工操作 .可以半 自动也可以全 自动运转 运行中.调整螺杆旋转和反压力至关重要。由于螺杆高速运转.气缸必须预热到规定的温度.复合材料要准备好.并且其成分充分混合 如果晚点在气缸内经表面加入熔融树脂膜 .可能会损害螺杆和气缸 运行时.螺杆反压力使树脂更容易糅合.但是延长了测量的时间 本实验中.螺杆反压力以 15kg/mz的速度减小 实验所用的挤压机如图 1所示5 6 7 8 9 10 11432l图 1 挤压机示意图Fig.1 Schematic of extruderl2141516171.电机 2.模具加热器 的电源插座及配件 3.铝外壳 电阻炉4.多孔板 和屏幕 5.进给丝杠 6.缸筒7.挤 出机和模具的温度控制面板 8.绝缘外壳 9.干空气10.气流控 制屏 11.料斗 12.电子空气加热器13.干空气 14.65℃的干燥 空气 15.喉部冷却16.减速齿轮 17.螺杆冷却装置第 5期 吴正乾 等：玻璃纤维增强聚丙烯为材质生产汽车车体试验研究70%的聚丙烯和 30%的玻璃纤 维混合物在 200℃的温度下被压出 计量行程要设置成挤压机上数字开关上的数值。制模刚开始的时候，将计量行程 (S0)设置得小-点.并在实验过程中.根据复合材料树脂的送料情况.慢慢加大其数值.以防止填料过多。行程值设置得要比参考值稍微小-点 规定的计量行程值由以下的关系式得到：SoIOW/(Aotr1) (1)式中：5 计量行程 ，BITI；- - 产品重量 ，kg；4--螺杆横截面积.cm：：- - 所采用的复合材料的比重：竹--注射效率。

加入-定比例的纤维玻璃后形成复合材料提高了聚丙烯的力学性能和物理性能 挤压机里的测试 品含有 70%的聚丙烯和 30%的纤维玻璃 复合材料的蠕变曲线如图 2所示 .同时也可以在该 图中看到应力应变时间关系I 5l时间(S)图 2 含有 30%玻璃纤维和 70%聚丙烯的复合材料蠕变曲线Fig.2 Creep curve of composite material of containing 30% glassfiber and 70% polypropylene3 讨论和结果汽车车体由增强热塑性材料做成.该材料含有70%的聚丙烯和 30%的玻璃纤维。该复合材料在实验室制备.温度为 200oC，反压力为 1 961.4kPa。复合材料的应力为 61.8 MN/mz.而单纯含有聚丙烯的复合材料的应力为 14 MN/mz.如图2所示 小型车辆的车身的重量减少了20%.相应的CO，的排放量会减少28%。因此，轻型汽车是解决全球环境问题的主要途径.使用增强热塑性材料的复合材料是生产轻型汽车的关键l 。