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实现汽车轻量化的新材料

作为复合材料填料领域的先进品种,多年来,全球空心玻璃微球公司一直与汽车行业合作,为主要汽车制造商实现轻量化。通过替代传统的填料,这些空心玻璃微球可以减少模制部件的重量并且不牺牲强度或美观

交通轻量化趋势:

汽车四化——电动化、智能化、网联化、共享化已然成为当下汽车发展的四大潮流,并已成为汽车业内人士的共识。实现四化的重要基础是汽车轻量化。

新能源汽车由于使用电池包作为动力,为了增加其行驶里程和提高车身的耐久性和安全性,有目标地减轻汽车自身的重量就成为必然的途径。同时作为有效的节能手段,汽车轻量化技术已经成为中国新能源汽车工业发展的重要方向,也是新能源汽车发展的基础技术。

传统燃油车方面,实验证明,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽车整备质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升;汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%。产品应用

因为能在不降低安全性的前提下有效降低部件重量,空心玻璃微球复合材料在汽车领域的应用范围非常广泛,几乎遍及汽车所用的所有非金属材料品种,并且由来已久。

应用发展:

上世纪90年代末,美国通用每制造一辆汽车高性能空心玻璃微球用量已经达到60公斤。

通用汽车公司采用大陆结构塑料件(CSP)公司提供的SMC材料生产车身面板2015年11月获得全球塑料工程师协会汽车分会的大奖。CSP位于美国密歇根州奥本山,公司采用空心玻璃微球和专有的表面处理工艺替代碳酸钙,与标准材料相比,这种材料至少减重28%。

美国3M公司2019年在佛罗里达州奥兰多举行的美国国家塑料展览会上介绍了其新型 S32HS空心玻璃微球产品,以帮助原始设备制造商将复合材料部件重量减轻40%,密度低于1.0g/cc,同时仍然能够完成A级的喷漆表面光洁度。“这项创新使SMC成为原始设备制造商进行汽车设计的一个有吸引力的选择。公司用空心玻璃微球产品第一次打破了密度障碍,使超轻型SMC比钢铁和铝材方面更具竞争力,为汽车应用中的材料组合开创了新的可能性”。该公司报告。

“电动汽车和高效汽车发展趋势,降低汽车整体重量是保持竞争力的关键,”3M汽车电气化部门副总裁Ray Eby说,“典型的汽车大约有660磅复合部件。使用了空心玻璃微球填料的超轻SMC,原始设备制造商可显著提高车辆的能源使用率,同时节省资金。”2020年1月14日,3M全球首个汽车材料科学学院(AMSA)在上海盛大开幕,空心玻璃微球产品将持续成为汽车材料方面应用的热点。 

典型应用:

(1)汽车改性工程塑料

汽车所接触到的工程塑料主要种类有:PP,PE,PA系列,PC,PVC,PU等。以空心玻璃微球为主要填料形式改性而成的工程塑料,经过填充、共混、增强等工艺过程,提高了产品的阻燃性、强度、抗冲击性、韧性等指标,有效降低了产品的比重(10%-20%),同时降低了产品收缩率,提高了产品成型效果,成型工艺条件温和,降低了产品成本,在汽车内外饰、保险杠、顶棚、主副仪表板、车门全本体、出风口、手套箱等零部件轻量化领域有着广泛的应用。

(2)低密度SMC复合材料

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SMC材料是汽车非金属材料中的主要品种,它是由不饱和聚酯树脂、填料和玻纤的混合物组成的。这里面树脂和玻纤的密度已经基本固定,没有太多可调整的余地,因此传统SMC片材的密度一般介于1.7-1.9g/cm3之间。填料由于选材广泛,密度跨越范围大,因此成为调节SMC片材密度的首选以高性能空心玻璃微球为主要填料成分取代滑石粉、碳酸钙等常规填料,可使SMC片材密度降到1.20-1.41g/cm3之间,比普通SMC片材的密度低30%以上,可使其最终模压制品的重量降低25%-35%。同时产品具有优良的尺寸稳定性、良好的机械强度和良好的加工性能。

3)阻尼材料

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为了有效降低或控制噪声,提高汽车的舒适性,汽车主机厂普遍采用表面阻尼片来减少振动。阻尼片是贴在车身内表面的一种粘弹性材料,紧贴着车身的钢板壁上,主要是为了起到减少噪声、减少振动的作用。传统阻尼材料采用各类附着原理不同的沥青阻尼片,阻尼效果良好,但使用沥青阻尼片,会导致车内空气质量严重污染。新一代轻量化阻尼片的研究中,LASD胶(液态可喷涂阻尼材料)相比轻量化阻尼片,在涂装后烘烤密度更低,同等施工面积上,LASD使汽车总量减轻,且阻尼性能优化,VOC的排放更低。

无论是沥青阻尼片或LASD水性阻尼胶,添加空心玻璃微球的复合材料,在保证其物性指标不降低的情况下,可以进一步减轻材料重量,同时还使隔音降噪效果更加理想。这些阻尼产品在对整车重量敏感的车型上得到了应用,性能表现优异。

4)汽车密封胶

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密封胶在减震、隔热、防腐、防锈、防松、降噪、减轻自重、提高汽车的舒适性和安全性、促进新型结构材料在汽车上的应用等方面有着特殊的作用。空心玻璃微球是一种理想的汽车密封胶功能填料。空心玻璃微球填充的有机硅酮胶、聚氨酯胶等,均取得了优良的应用效果。特斯拉使用的正是添加了空心玻璃微球的密封胶。

  常用密封胶的密度约为1.8g/cm3,添加空心玻璃微球密度降为1.5g/cm3以下,降低15-20%。一般来说,单车的用胶量可达到20-40kg,若使用轻量化密封胶,其用量可较少6-12kg;在同等的施工面积上,轻量化密封胶使得汽车总重量较少。空心玻璃微球提高了密封胶的融合性和填充性,降低了其比重和VOC含量,分散性得到提高,并且能缩短密封胶的表干时间,提高了密封胶的初期耐压性,同时也可以在一定程度上降低车用密封胶的生产成本。选取合适的添加比例,可以在轻量化与成本价格间取舍,以达到最优性价比。


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