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玻璃钢在汽车上的应用及发展
[发布时间:2017-12-08 15:55:31 ][阅读次数:434 次]

引言

玻璃钢是我国的一种习惯用语,其确切的名称是玻璃纤维增强塑料。它是由玻璃纤维毡、玻璃纤维物与合成树脂(如聚酯树脂、环氧树脂等)复合而成的新型材料,因此称复合材料。


近年来,随着化工产品性能的进一步提高和制作工艺的不断完善,非金属材料在汽车车身上的应用越来越广泛,塑料、橡胶等新型材料,正在越来越多地走进汽车家族。就汽车零部件的使用而言,目前汽车车身应用较广泛的非金属材料有玻璃钢板件,人们熟悉的“中华子弹头”车的壳体就是用玻璃钢做成的,美国的雪佛兰子弹头车身壳体也采用了玻璃钢材料。国外从80年代开始大量使用玻璃钢材料制作车身,如欧洲Fiar轿车以玻璃钢的片状模塑料制作外翼板、后盖及前后门,并用聚碳酸酯及改性聚苯醚制造前后保险杠、内翼板之类的车身部件。英国的四座轿车,甚至采用了全玻璃钢车身(不饱和聚酯玻璃钢)。我国车身局部玻璃钢化已较普及,如保险杠、发动机罩及弯度较大形状复杂的车身部件等。随着原材料的不断开发利用,玻璃钢材料在汽车上的应用日益增多。

玻璃钢的功能、种类和成分

玻璃钢具有玻璃般的透明性或半透明性,具有钢铁般的高强度。  

玻璃钢的基体树脂种类很多,常用的热塑性树脂有:聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、热塑性聚酯、聚苯醚、ABS树脂等。常用的热固性树脂有:不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、氨基树脂等。

目前使用的玻璃钢材料大多是不饱和聚酯树脂和添加剂、以及玻璃纤维。不饱和聚酯树脂一般是不饱和二元酸和二元醇的聚合产物,如乙二醇、环己醇、邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸酐等。不饱和聚酯树脂必须加交联剂、引发剂及促进剂后才能固化,此外还常加一些其它附加成分,如触变剂、阻燃剂、填料和颜料等。常用的玻璃纤维是将熔融的玻璃在柑锅中以极快速度,从柑锅底部漏板的漏孔中拉成很细的连续纤维并集束成原纱,再加捻、退解、拼股成玻璃纤维线。玻璃纤维具有抗拉强度高、收缩率、热稳定性能好等优点。

国内生产的玻璃纤维有无碱纤维和中碱纤维两种。中碱纤维中含较多的碱金属氧化物,绝缘性能和力学强度稍差,但耐酸性能较好,价格便宜。一般在制造强度要求高、绝缘性能好的玻璃钢时多用无碱纤维。但制造汽车车身构件时一般用中碱纤维,其结构强度能够满足要求,而价格低廉,且防酸性能好。

玻璃钢的性能特点

玻璃钢是一种强度很高的结构材料。具有以下优点:密度小、强度高,导热系数小是优良的绝热材料。玻璃钢在超高温时产生大量气体,吸收大量热量,是一种良好的热防护和耐烧蚀材料。具有优良的耐磨蚀性和良好的电绝缘性,能透过高频电波;非磁性。当然,玻璃钢材料也有它自身的缺点:如弹性模量低,一般只有钢的1/101/20;长期耐高温性能较差,一般不超过200;剪切强度及长期循环负荷强度较低。玻璃钢的性能是由其内部结构决定的。它包括玻璃纤维和塑料的化学组成、结构、含量及组合方式、界面间结合状况。具体性能特点如下:

1玻璃钢的力学性能。

玻璃钢力学性能的突出特点是质轻高强。玻璃钢的密度小,其密度为1.52.0,只有钢铁的1/41/5,比铝的密度(2.7)还要小; 此强度比某些特殊合金钢还高,强度大,比钢铁结实,比铝轻,而机械强度却为钢的34倍。

玻璃钢的弹性模量低,层间剪切强度低。弹性模量只比木材大两倍,比一般钢材小十倍;而其层间剪切强度只有抗拉强度的十分之一。玻璃钢耐腐蚀、不生锈,防水、密封效果好;隔音、隔热、电绝缘性能优良,抗磁电性能强;耐老化,玻璃钢制件在室外一般可使用1520年。

① 抗疲劳强度。玻璃钢的抗疲劳强度几乎接近钢材的一半。

② 抗拉强度。组成玻璃钢的玻璃纤维其抗拉强度为200MPa左右,玻璃钢的抗拉强度略低于碳钢的强度。

③ 刚度。将玻璃钢与08F钢材相比,2.5mm左右厚度的玻璃钢与1.0mm厚度的钢板具有相同的刚度。

④ 比强度。玻璃钢比强度较一般碳钢大25倍,比强度大说明零件自重小。

⑤ 比模量。玻璃钢比模量较一般碳钢大得多,比模量大即零件的刚性大。

玻璃钢为各向异性非均质材料,其应力一应变曲线上无明显屈服点,故材料呈脆性破坏。

玻璃纤维含量与分布情况不同,力学性能也不同。当玻璃纤维含量为50%时,性能优良。选择经纬强度不等的单向玻璃布或单向玻璃带做增强材料,可满足结构件不同方向受力不等的要求。纤维和界面粘结状况也严重影响玻璃钢的力学性能。选择流动性好、对玻璃纤维浸润性好、与纤维表面处理剂反应活性大、固化时吸缩率小的塑料作基体,可有效地保证界面黏接质量。

2玻璃钢的老化性能。

玻璃钢与其它材料一样,在长期使用和贮存过程中,由于各种因素的影响,其性能老化。但其具有良好的耐酸碱腐蚀特性及不具有磁性。

耐候性是玻璃钢在自然环境中,受日光、风雨作用后性能的变化。一般玻璃钢制品在38年内不致于影响使用效果。通过施加表面涂层(漆、胶层)和改善表面状态(采用表面毡、粘贴薄膜)等方法,可有效地提高玻璃钢的耐候性。

玻璃钢耐酸性介质腐蚀的性能较好,但耐碱性介质腐蚀能力较差。玻璃钢耐化学腐蚀能力取决于纤维、树脂、固化剂和表面处理剂。应根据工作介质条件选择复合材料所用原料。因为树脂比玻璃纤维更耐酸、碱腐蚀,故要求以耐腐蚀性能为主的玻璃钢一般树脂所占比例要大。水能侵蚀玻璃纤维表面,加速微裂纹扩展,还能使树脂发生溶胀,并有增塑剂的作用。水有时还可使大分子水解(如聚酯水解)。这些影响使玻璃钢性能随之恶化。玻璃钢的耐水性差别很大,同样经过三年浸泡,对加压成型的酚醛类玻璃钢性能无明显变化;而环氧玻璃钢则下降20%40%;聚酯类玻璃钢耐水性更差,其性能可下降40%60%

3玻璃钢的热性能。

玻璃钢导热系数低, 是一种优良的绝热材料。

玻璃钢在超高温作用下,能吸收大量热量,而且热传导很慢,故可作热防护材料和热烧蚀材料。玻璃钢还具有瞬间耐高温特性。玻璃纤维在300℃以下性能稳定,故玻璃钢的耐热温度主要取决于树脂与固化剂等系统。

4玻璃钢的工艺性能。

玻璃钢具有优良的成型工艺性和可设计性能,原料流动性能极佳,可一次性成型。在常温下即可糊制成型,因偶然因素或事故损坏,易于迅速修补。另外,玻璃钢制件还具有较好的机械加工性能,可以像金属制件一样进行机加工。玻璃钢的成型方法有十多种,普遍使用的手糊成型工艺因工艺简单、成本低、在玻璃钢的各种成型工艺中占有相当重要的地位。


玻璃钢在汽车制造方面的应用

由于玻璃钢具有上述许多优异的特性,各种新产品在各个领域中的应用与日俱增,不仅在国防尖端技术领域中得到应用,而且在各工业部门及民用方面也得到日趋广泛的应用。

1953年美国通用汽车公司首先制造了第一辆全玻璃钢车身,此后意大利、法国等也相继使用玻璃钢制造汽车车身。尤其是运输具有腐蚀性的石油产品或其它液体的罐车发展更快。此外,汽车的其它零部件,如汽车底盘、车门、车窗、车座、发动机罩和驾驶室、挡泥板、电瓶框架等, 欧洲、美国及日本等汽车制造业发达国家,已普遍采用了玻璃钢材料,特别是SMC片状模压塑料(SMC 是一种干法制造玻璃钢制品的模压用材料)。1958年我国开始研制玻璃钢汽车外壳及其零部件。这种汽车制造方法简单,方便、省时、省力,可降低造价,减轻汽车自重,外观设计美观,保温隔热。尤其是应用于引进车型相关部件的国产化配套上。如将玻璃钢用于切诺基后举升门,使切诺基的整车国产化率提高了0.670.94个百分点(各车型不同)。

目前,我国用玻璃钢生产一些如保险杠、车顶盖、阻流板、太阳罩、电瓶托架等较低档的产品。而美国则早在70年代即用SMC材料制造轿车的前脸格栅和车身壳体,如今,SMC已成为美国汽车保险杠、发动机罩、挡泥板等部件的主要材料。在欧、美、日等发达国家的轿车、客车、货车、拖拉机、摩托车以及运动车、农用车等所有车种中均大量使用SMC材料,主要应用的部件包括悬架零件、车身及车身部件、发动机盖下部件、车内装饰部件等。其中,尤以保险杠、车顶、前脸部件、发动机罩、发动机隔音板等部件为多,产量也最大。

玻璃钢特别适宜于大面积整体成型、外形复杂(凹凸型)的薄壁型零部件,可设计制造流线型极佳的客车车身,同时能减少零部件及紧固件数目;成型工艺简单、生产成本低,成品开发周期短。采用手糊玻璃钢工艺,模具开发简单,不需要大型冲压设备,成本费用仅为钢模的1/20,对于小批量生产和新产品开发,其优越性更加突出;玻璃钢制件与油漆的结合力较差。涂装时要进行相应的前处理,或添加掺合剂。若采用先进技术,无需涂漆就能达到理想效果;生产率低。用于客车车身的玻璃钢制件仍然以手工为主,所以仅适于小批量生产。


玻璃钢行业的发展趋势

玻璃钢工业自20世纪40年代初起步,经过半个多世纪的发展,目前全世界已形成了从原辅材料、成型工艺、技术装备到相关性能检测等较为完善的工业体系。美国GM公司首先采用玻璃纤维增强塑料和预浸料坯成型工艺.使车身外板件实现了商品化。开创了玻璃钢技术在汽车领域应用的历史。

目前全世界玻璃钢产量约为3500kt。其中汽车用玻璃钢接近于1200kt,是玻璃钢最大的应用领域。美国50%以上的汽车用玻璃钢部件为复合材料制品,目前实用化的复合材料汽车部件已有375种。




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