復合材料板簧對汽車行業來說并不新鮮。事實上，板簧本身可以追溯到馬車。根據設計，板簧可以吸收道路不規則造成的垂直振動。彈簧撓度的變化允許勢能以應變能的形式儲存，然后隨著時間的推移逐漸釋放。復合材料因其高強度重量比、抗疲勞性和固有頻率而非常適合板簧應用。復合材料中的內部阻尼導致材料內更好的振動能量吸收，從而減少振動噪聲向相鄰結構的傳遞。

然而，最大的好處是減輕了質量：復合材料鋼板彈簧的耐用性是鋼彈簧的五倍，因此，當通用汽車（通用汽車，密歇根州底特律）在1981年的雪佛蘭Corvette C4上改用玻璃增強環氧復合橫向鋼板彈簧（由美國俄亥俄州恩格爾伍德的Liteflex LLC提供）時，重量為8磅/3.7公斤的單鋼板復合彈簧取代了重量為41磅/18.6公斤的鋼板系統。據報道，這使通用汽車能夠從Corvette上減少15公斤/33磅的簧下重量，同時保持相同的彈簧剛度。板簧橫向安裝；也就是說，它在每個軸上都橫穿汽車的寬度。這消除了框架上彈簧袋中高高的螺旋彈簧。因此，汽車可以坐得更低，這提高了汽車的操控性。

如今，通用汽車繼續在其克爾維特車型的前后采用橫向玻璃纖維增強塑料復合材料板簧。2014款雪佛蘭Corvette Coupe包括一個雙叉臂懸架，在通用汽車公司，它被稱為短/長臂（SLA- short/long arm）。SLA指的是上控制臂比下控制臂短。橫向復合材料板簧壓在下臂上，橫跨汽車的寬度。事實上，彈簧總是加載在副車架上。這種設計將沖擊載荷引導到車架側面，消除了必須集成到標準懸架套件中的獨立后防側傾桿。據說，彈簧的外傾角曲線還可以改善轉彎時輪胎與路面的接觸。

復合材料也有可能取代鋼并減輕縱向板簧的重量。這些懸架與車輛的長度平行，作為車輪導向系統的一個組成部分提供懸架。“縱向板簧具有更高的安全系數，”Benteler SGL（奧地利里德）業務開發主管弗蘭克·費舍爾（Frank Fetscher）表示，該公司是Benteler Automotive和SGL Group–the Carbon Company（德國威斯巴登，見“編輯推薦”下的“SGL Automotive Carbon Fibers在華盛頓開設新工廠”）的合資企業。“它們可以具有線性彈簧剛度或漸進式彈簧剛度—多級彈簧—并且在扭轉和側向剛度方面必須比橫向彈簧表現更好。”

迄今為止，商用玻璃纖維和碳纖維增強復合材料板簧僅限于小批量生產型號。漢高股份公司（密歇根州麥迪遜高地）底盤業務開發專家斯科特·西蒙斯（Scott Simmons）解釋說：“當樹脂首次用于汽車行業時，首先選擇的是已經在航空航天行業得到驗證的環氧樹脂系統。”。“雖然這些環氧樹脂系統提供了性能非常高的零件，但主要用于這些樹脂系統的預浸料制造工藝更適合與航空航天相關的小批量生產。”

環氧預浸料系統反應不快，因為它們不需要用于熱壓罐加工，為了保證高航空航天標準的質量，熱壓罐加工必然需要緩慢而謹慎地控制溫度和壓力。然而，許多研究已經通過使用更快的成型工藝以及開發和使用適當的快速反應樹脂體系來加快生產過程。這些新興系統顯示出經濟批量生產復合材料板簧的前景。

西蒙斯斷言：“在汽車領域，RTM（樹脂傳遞模塑）是首選工藝，最大限度地提高加工速度對于實現大批量制造至關重要。”為此，漢高開發了一種專為快速高壓RTM（HP-RTM）工藝設計的聚氨酯基樹脂系統。西蒙斯解釋說：“我們的目標是模仿環氧樹脂的性能特征，同時提高加工速度和靈活性。”他指出，最終，“汽車原始設備制造商想要一種復合材料系統，每年可以以相對較低的資本投資成本生產10萬至25萬個零件。”

據報道，漢高的樂泰Max 2基質樹脂提供了一個答案：高模量（2800 MPa），斷裂伸長率為5%至10%，抗拉強度為80 MPa。由于其特定的聚合物骨架結構，將“軟”聚合物鏈段與聚氨酯部分的強H橋結合在一起，據說純聚氨酯樹脂具有內在韌性。漢高表示，這消除了對增加成本和粘度的額外增韌劑的需求。樹脂的韌性實際上轉化為抗疲勞性。這一點至關重要，因為汽車板簧在行駛條件下會受到動態載荷，并且需要通過需要700000次重復載荷循環的測試。使用具有高疲勞耐受性的柔性材料大大延長了板簧的壽命。

漢高與Benteler SGL合作，使用基于聚氨酯的HP-RTM工藝大規模生產輕質纖維增強板簧。該工藝將單向（UD）玻璃纖維預制棒技術與漢高的Max 2樹脂系統相結合。漢高表示，其結果是板簧的重量比傳統鋼制彈簧輕65%——6公斤比15公斤（13磅比33磅）。

當漢高與Benteler SGL接洽其聚氨酯工藝時，后者正在為戴姆勒股份公司（德國斯圖加特）制造的輕型貨車梅賽德斯-奔馳Sprinter開發前橋復合材料板簧。Sprinter多年來一直使用復合材料板簧。與之前的迭代一樣，該零件是用玻璃增強環氧樹脂設計的。西蒙斯說：“Benteler SGL已經設計了織物的方向和密度，我們提出了一種可以與現有設計配合使用的替代樹脂。”

他堅稱：“用Max 2聚氨酯取代現有的環氧樹脂系統對戴姆勒很有吸引力，因為聚氨酯比環氧樹脂更堅固，更能承受彎曲和撓曲。”。“它還提高了對裂紋擴展的抵抗力，這意味著如果巖石彈出并撞擊板簧，可能出現的任何碎片或裂紋都不太可能擴展。”

西蒙斯說：“本特勒的興趣在于速度。”。他說：“現有的環氧樹脂需要大約30到35分鐘的模具時間。由于一個項目每年需要10萬到15萬個零件，30分鐘的循環時間將需要大量的模具來滿足需求，這會顯著影響資本投資成本。”他指出，“Max 2樹脂系統提供了更快的注射時間—從環氧樹脂的幾分鐘到聚氨酯的幾秒鐘—以及更快的模具時間—從30到35分的環氧樹脂到8分鐘的聚氨酯。”

費舍爾解釋說：“通過HP-RTM，我們有了一個經濟的工藝，提供了幾何設計的可能性。”。“最終，最終產品具有與環氧體系相同的性能。” 費舍爾表示，評估了聚氨酯基質樹脂的流變行為與溫度和等溫固化動力學的關系，以確定在最小樹脂粘度下的注射工藝窗口。最佳加工窗口為70°C至110°C（158°F至230°F）。費舍爾聲稱：“在優化的加工參數下，可以以低至30 mPas（30 cps）的粘度注入混合的聚氨酯基質樹脂。”。“使用高壓RTM設備，低基質樹脂粘度可實現每秒100克至300克樹脂的超快注射速率。同時，聚氨酯基質樹脂的獨特流動行為不會導致高粘度基質樹脂所表現出的不良纖維置換效應。”

漢高最近推出了其基于Max 3聚氨酯的系統，該系統是在Benteler SGL的投入下開發的。值得注意的是，新系統還包括一個內部脫模器，使加工更容易。西蒙斯解釋說：“通常，RTM或壓縮成型需要某種類型的脫模，因此我們將內部脫模集成到產品中，以消除對該步驟的需求。”。此外，可以向基礎異氰酸酯和多元醇中加入任選的促進劑以提高加工速度。

Max 3還提供了更高的玻璃化轉變溫度，從而提高了成品零件的耐溫性。西蒙斯強調：“提高耐溫性仍然是我們未來聚氨酯系統的目標。”他指出，持續的研究相當于一種保險政策。他解釋說：“在汽車中，150°C至180°C（302°F至356°F）的耐溫性將使零件能夠通過電泳涂裝過程。”。“并不是說復合材料部件一定需要電泳涂裝工藝，”他觀察到，“但我們的目標是讓復合材料部件能夠承受與汽車上其他部件相同的加工溫度，從而簡化生產。”

在過去的幾年里，環氧樹脂技術和用于模制環氧復合材料的工藝也取得了實質性進展。Momentive Specialty Chemicals（俄亥俄州哥倫布市）開發了所謂的“快速固化”環氧樹脂系統，旨在允許中批量生產結構復合材料，包括板簧。Momentive表示，新系統保留了傳統環氧基復合材料的性能，但在HP-RTM中使用時，與聚氨酯一樣，只需幾分鐘即可完成。

羅曼·希勒梅爾（Roman Hillermeier）博士聲稱：“先進的配方是獨一無二的，因為它們為增強纖維的堅固浸漬提供了足夠長的注射窗口，同時仍然能夠實現極短的固化周期。”他與Momentive研究合作伙伴塔里克·哈森博士、拉爾斯·弗里德里希和塞德里·波爾在塑料工程師學會2012年汽車復合材料會議和展覽上介紹了研究結果（見尾注）。希勒梅爾說：“整個過程需要很短的周期時間才能實現汽車的大規模生產。”。他說，實際上，這意味著不到五分鐘。

實現這些更快生產速度的一個關鍵是預成型粘合劑。希勒梅爾解釋說：“在快速RTM加工的情況下，與樹脂基質具有良好的相容性尤為重要，增強材料的滲透性不會受到負面影響，粘合劑提供足夠的強度以防止纖維在注射過程中變形。”。“通過‘反應性’或‘可交聯’粘合劑實現了更高的性能水平。”

在5分鐘或更短的生產速度下，填充模具和完成纖維潤濕所需的時間對環氧樹脂來說是一個挑戰。希勒梅爾指出，復合材料結構部件需要50%或更多的相對較高的纖維體積。“非常低的粘度和足夠的浸漬時間是實現高質量成品零件所需的兩個關鍵特征。RTM樹脂的理想注射粘度應在加工溫度下低于100 mPas（100 cps）至少60秒。”

作為回應，Momentive開發了兩種快速反應的環氧樹脂系統，其設計具有足夠的熱延遲，以便有時間徹底潤濕大型或幾何形狀復雜的部件。這兩個系統都是為HP-RTM處理而設計的。第一種是含有EPIKURE 05443固化劑的EPIKOTE 05475樹脂，據報道在120°C/248°F下可在五分鐘內固化。第二種是EPIKOTE 05475樹脂，含有EPIKURE 05500固化劑和Heloxy 112內部脫模劑，據報道在115°C/239°F下可在兩分鐘內固化。最近，Momentive推出了EPIKURE 05500快速固化環氧樹脂和EPIKOTE 04695-1粘合劑/EPIKURE 05490A固化劑，用于使用間隙浸漬RTM工藝生產A級復合材料汽車零部件。

Momentive在開發其新型環氧樹脂系統的過程中也與模具商合作。一個值得注意的例子是IFC Composites（德國哈爾登斯勒本），該公司自2005年以來一直在大規模生產玻璃纖維增強環氧樹脂基板簧。該公司使用半自動預浸料制造系統，在此過程中，連續纖維被樹脂浸漬。據報道，國際金融公司已為包括戴姆勒Sprinter貨車在內的輕型卡車供應了130多萬個復合材料板簧。IFC制造的Sprinter前橋板簧長1400毫米/55英寸，寬75毫米/3英寸，厚30毫米/1.18英寸，重量為5.5公斤/12.1磅，而它取代的是25公斤/55磅的鋼制前橋板簧。

新的發展還包括汽車懸架系統制造方法的變化。Benteler SGL的費舍爾預測：“橫向板簧的下一步將是從單一組件供應商轉向系統供應商。”他補充道：“具有復合材料板簧覆蓋顛簸和側傾功能的多連桿軸系統是完整后橋模塊最有效的重量優化，也是減輕重量的下一步。”。Benteler板簧后模塊的開發目標包括通過用橫向復合板簧代替螺旋彈簧和防側傾桿來減輕重量，同時不降低車輛的操縱性能，改善懸架系統的聲學阻尼。板簧將支撐碰撞和側傾剛度。 Benteler認為車輛動力學將得到改善。據報道，每個系統的重量減輕將達到4公斤至8公斤（8.8磅至17.6磅），成本在減輕重量的可接受范圍內。目前，Benteler已在車軸懸架概念中開發了系統集成，將防側傾桿的功能納入板簧。該系統已完全開發完畢，可進行程序集成。

ZF Friedrichshafen AG（德國施韋因富特）是一家全球傳動系統和底盤技術供應商，正在進一步開發車輪導向橫向板簧。該系統旨在執行彈簧、防側傾和車輪控制功能。然而，這種板簧是通過加熱壓縮成型制造的，采用環氧樹脂體系和連續玻璃纖維增強材料。

ZF表示，彈簧上的負載很復雜，因此纖維含量和取向的過程控制是成功的關鍵。彈簧的設計消除了許多傳統的鋼制部件—一個帶支架的防側傾桿、兩個防側傾桿連桿、兩個控制臂和兩個傳統螺旋彈簧。ZF報告稱，復合鋼板彈簧懸架系統比傳統麥弗遜（MacPherson）支柱懸架輕約12%，比傳統扭梁懸架輕約10%，比鋼制多鋼板彈簧輕60%。精確車輪控制和所需彈簧剛度的關鍵是鋼板彈簧橫截面的設計和安裝位置。ZF的設計目標是緊湊型轎車，該公司預計將在2014年首次投入生產。

由于橫向復合材料鋼板彈簧已經用于輕型卡車和貨車，以及高端跑車，“橫向鋼板彈簧未來的主要焦點，” 費舍爾說，“將是將車身懸架（螺旋彈簧）和防側傾桿功能系統集成到多連桿鋼板彈簧懸架概念中。”這些將是廣泛采用的關鍵因素。他說：“該系統將主要針對C級和D級市場的乘用車。”他分別指的是大規模生產的緊湊型轎車和大型轎車。

在縱向板簧側，復合材料主要用于高間隙皮卡、大型貨車和重型卡車。在這里，前景稍顯黯淡。費舍爾解釋說：“對于縱向板簧，我們預計將看到更多的FRP部件替代鋼，而不是系統集成。”。也就是說，經過50年的復合材料研究，在20世紀50年代高價跑車的稀有領域首次亮相的復合材料板簧將在日常汽車中實現商業生產的可能性從未如此之高。

Benteler SGL（奧地利里德）已經確定了一種用于生產縱向彈簧的碳纖維混合系統。Benteler SGL業務開發主管弗蘭克·費舍爾表示：“縱向彈簧是車輪導向裝置，因此它是一個與安全相關的部件，故障將導致嚴重的題。”。“為了有一個更堅固的零件，我們正在開發一種增強的復合材料制造工藝，以結合纖維纏繞、預浸料和RTM的優點。”專有流程仍在開發中。費舍爾說：“我們已經取得了第一個里程碑——第一個積極成果——我們有一個預期目標。”。“我們也用RTM工藝實現了縱向板簧，但我們看到物理需求在增加，因此，我們希望有第二種工藝，以便在保持RTM工藝成本。

效益的同時更加靈活。”縱向板簧比橫向彈簧更容易受到外部的沖擊。因此，玻璃纖維增強聚合物縱向板簧并不常用。費舍爾說：“縱向板簧需要一定程度的剛度，該剛度始終與彈簧的寬度無關。”。他補充道：“你需要靈活的寬度和厚度變化，以滿足剛度水平與主要功能—輪轂剛度相結合的要求。”。“這是我們希望通過新工藝實現的目標—RTM更具靈活性。纖維纏繞允許彈簧寬度的靈活性，RTM和預浸料允許交替的厚度變化。”他說，將這些工藝與碳纖維結合起來，可以實現適用于輕型商用卡車和皮卡的縱向板簧設計。