BMC促進汽車用復合材料上了新臺階

    BMC材料是由熱固性樹脂、礦物填料、短切玻纖等組成。典型的配方可由13種組份混合而成,其不同的配比可以滿足客戶對成型品的不同要求。這項技術追溯起來已有60年歷史,而根本性的改進是近15年內,除了材料配方之外成型的模具和設備都有許多革新。

    一直以來,BMC主要應用于三個領域,即電氣、汽車和家用消費品。而電氣市場也是BMC應用久成熟的領域,如塑殼斷路器外殼、小電機端蓋、開關箱體、大型熔斷器罩殼等。主要得益于BMC材料的極其優良的絕緣能力、耐高溫能力和UL94 V0的阻燃能力。
    其次,BMC突出的可著色性優于其它熱固性樹脂模塑料,幾乎可以配成各種顏色和外表,例如配成仿大理石的外觀,應用廚衛領域的池盆、家用電器的外殼。以及電熨斗的底板等等。
    當然BMC大的應用市場還是汽車工業,雖然應用的種類不如上述電氣和家用消費類市場,但消耗的總量遠大于上述兩個部門。在汽車上的典型應用有:車燈反射鏡、閥蓋和一些小型外部零件如阻流板、指示帽、擋泥板支架等。相比之下,鋁壓鑄零件確有超級的耐熱性能,但是其模具的使用壽命和制造成本,零件制造周期及其單重與BMC相比較都處劣勢:而熱塑性工程塑料有較低的比重,而且設計師也比較熟悉,還能焊接,利于裝配,不過與BMC相比較其材料成本(單位體積之價格)昂貴,熱性能甚差。對汽車工業來講,降低成本和減輕重量是長久的話題,其中用塑料或復合材料替代金屬零部件是一直進行的途徑。電子節氣門技術的開發打開了復合材料新應用的大門。因為電子節氣門的幾何輪廓遠比常規的機械式節氣門復雜許多,由于驅動電機、節氣門開度傳感器和減速齒輪組等都集成裝配在節氣門體上,可想而知,采用鋁壓鑄節氣門體其壓鑄成型和機械加工的難度成指數倍地增加。
    節氣門的作用是控制進入發動機的空氣流量。電子節氣門是一種柔性控制系統,通過節氣門體上的電機驅動節氣門,取消了傳統節氣門與加速踏板之間的直接機械連接,在電控單元的控制下,可實現節氣門開度的快速精確控制。其優點為:可以根據駕駛員的意愿以及排放、油耗和安全需求確定節氣門的佳開度;可設置各種功能來改善駕駛的安全性和舒適性,如牽引力控制、巡航控制、怠速控制等,從而使發動機控制更加理想;解決了傳統節氣門難以根據汽車的不同工況相應地做出精確調整的問題,特別是在冷起動、低負荷和怠速工況下會導致經濟性下降、有害物質排放量增加等問題。
    顯然在油價超高的環境下,這是完全符合消費者的利益,專家預測,到2014年發達地區中將90%以上,發展中地區與將60%左右采用此項技術。正是由于這項技術的設計復雜性和市場的迫切需求,促成尋找成本較低、性能有效的材料來制造電子節氣門。通過上一流的電子節氣門制造商、復合材料的精密成型商與原材料供應商之間的緊密合作,終選定BMC材料通過注射成型工藝來制造這種電子節氣門閥體。

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ETC的性能特征

    ETC本質上是一種閥門,用于控制進入進氣岐管的空氣流量(見圖1和圖2),事實上我們的感覺好像這種踏板是控制進入發動機的燃油,稱之謂“油門”。其實這是一個“空氣踏板”,當施壓發出信號送至控制模塊,然后再發信給驅動電機打開或是關閉氣門來控制空氣進入系統時,空氣進入的流量通過氧氣傳感器檢測并發出燃油噴入量的控制信號。這種閥體的平滑運動可優化燃油的效率和發動機的性能。這就要求閥體絕對可靠穩定,不僅初的尺寸精度要嚴格控制,并在-40°C 至150°C的操作溫度下仍要保證閥體與閥片的尺寸穩定性。另外,這種尺寸的穩定性必須表現能承受發動機內各種流體的浸漬抗蝕能力,諸如各種牌號的燃油、機油、清潔液、變速箱油、制動液和動力轉向油等等。

    ETC還必須具有優良耐震抗沖能力及噪音的阻尼能力。圖3至圖12表明了BMC相對于各種熱塑性工程塑料在各種溫度、油料及乙二醇浸漬1000h,2000h后的多種機械性能對照表,可以看到在耐乙二醇方面PPS表現還滿意。BMC較之ETC傳統選材提供了良好的性價比。圖13和圖14列出了BMC與鋁質的新價格對比,其優越性顯而易見。對于PA66和PPS也是同樣。盡管BMC有較高的比重,但單位體積的價格也明顯優于鋁材41%,PA6627%,PPS62%。用BMC替代鋁質的ETC閥體大致可節省25%的成本。這并未計算鋁壓鑄件制造中各子系統的消耗。采用BMC成型的模具費用比鋁壓鑄成型模具節約許多,且模具壽命長了的許多。BMC材料適用于ETC閥體模塑時材料零收縮,在-40°C 至150°C發動機工作溫條件下保持尺寸的穩定。所謂“零收縮”就是模塑品完完全全復制了模腔的尺寸。閥體的幾何形狀極其復雜,由圖15可以看到離型前極其復雜的熱應力分布圖,從而導致制品后固化時零件冷卻及應力釋放引起的工件變形。

 

 


   

     正是因為用BMC制造的ETC閥體是零收縮,又無后收縮,線脹系數非常低與鋁壓鑄件相近。再著重說明一點,模塑件自脫模無后收縮,無需定型夾具,更無需機械加工,完全復制模具的型腔型芯尺寸。圖16顯示了一個零件內孔要求尺寸及公差是22.025 +/- 0.015mm而實際控制誤差在+/- 0.0075mm(僅是允許公差的一半)。圖17顯示另外一個稍大孔徑尺寸及公差是94.97+0.03/-0.06mm,而制品實際控制誤差,為+/-0.01mm。[-page-]

 


   

    正如前面所述,BMC的比重為2.0g/cc較之鋁壓鑄品比重2.7 g/cc輕了25 ~ 30%。這一減重有效地降低油耗并且減小了震動應力。對于冬天結冰, BMC材質也有優勢。一旦在鋁質閥體表面結冰,因鋁是良好的導熱體,要溶化這個冰層往往要采取附加的加熱措施。而對BMC材質導熱率低,天冷時頂多表面結霜,而化霜也較容易。
    從汽車從前部的撞擊試驗來看,撞擊中BMC閥體會破碎,而鋁質閥體不會破碎,這正好是體現BMC可吸收能量,能緩沖能量傳遞的途徑至車身部位的功能。雖然正前方的沖擊試驗中,BMC閥體會破碎,但正常使用的壽命周期可達150,000英里或15年運行周期。比起那些通用的熱塑性工程塑料,BMC閥體具有超一流的耐車用的各種流體的浸漬、抗蝕能力。更重要的一點,在發動機周圍運行,其材質在150°C時其機械性能損失程度也是至關重要的,圖3至圖5顯示了BMC和其它熱塑性工程塑料的對照數據。
    圖12顯示了BMC材質較之其它熱塑性工程塑料有極大的抗蠕變的能力,也是尺寸穩定的重要因素。電子節氣門要求苛刻,尤其是尺寸精度和熱穩定性。行業間一流的ETC的OEM供應商和BMC材料及制品商的成功結合,采用BMC閥體替代鋁質閥體,開創了BMC在汽車用復合材料領域內的新視野、新臺階。