實用的汽車輕量化技術（二）利用異種材料接合減重
利用異種材料接合減重
減輕52％的制動踏板
F-TECH通過更換材料、組合中空形狀，開發出了輕量化的制動踏板（圖5）。使用聚苯硫醚（PPS）制作截面中空的框架部件，兩側包裹鋁合金板沖壓成型品。PPS與鋁合金接合使用大成PLAS（總部：東京）的異種材料接合技術“Nano Molding Technology（NMT）”。將經過了化學轉化處理的鋁合金板沖壓成型品放入模具中，然后通過注射PPS進行嵌件成型。
圖5：利用異種材料接合減重52％的制動踏板
新型制動踏板通過更換材料、組合中空形狀，成功減輕了重量（a）。鋁合金板沖壓成型品夾在PPS制成的框架部件的兩側（b）。
而現行制動踏板由實心的鋼制部件焊接而成。如果為減輕重量而采用中空形狀，在焊接時很難維持加工精度。
新型制動踏板的重量為400g，比現行制動踏板的892g輕52％。但部件有6個，比現行制動踏板多3個。因此成本估計高于現行制動踏板。據稱已經有日本的汽車企業決定采用。
傳動軸通過摩擦壓接減重3成
泉美工業（IZUMI MACHINE MFG，總部：愛知縣大府市）開發出了通過摩擦壓接，將鋼與鋁合金接合在一起的技術。接合的材料為A6061、S45C（碳素結構鋼）等（圖6）。目前正針對傳動軸等軸件的輕量化用途，向客戶等提交解決方案。接合部的拉伸強度可確保達到鋁合金拉伸強度的80％以上。
圖6：通過摩擦壓接減輕了重量的傳動軸樣品
鋁合金A6061與碳素結構鋼S45C直接接合。
摩擦壓接是用于軸件連接等用途的技術，該技術通過旋轉一方的構件并按壓在另一方構件上，利用摩擦來發熱，然后加壓接合。因為接合時的溫度低于熔點，而且加工時間短，所以屬于材料不熔融的固態接合。但在摩擦熱和壓力的作用下，接合界面會產生鐵與鋁的金屬間化合物。
鐵與鋁的金屬間化合物雖然是接合所需的物質，但物理性質脆硬，如果大量生成并形成厚層，接合處容易斷裂。摩擦壓接與焊接相比，溫度低、加工時間短，金屬間化合物層很薄，只有數μm，有望取得良好的接合效果。
已知可接合的鋼與鋁合金的配對如下：鋼為碳鋼、鉻鉬鋼、鉻鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、不銹鋼等，鋁合金為A1000系、A5000系、A6000系等（A6000系與碳素工具鋼、合金工具鋼的組合除外）。
與金屬粘合的玻璃纖維強化PA
東洋紡開發出了適合與金屬實施異種材料接合、強度和剛性出色的玻璃纖維增強聚酰胺（PA）“GLAMIDE JF-30G ”（圖7）。這種樹脂高密度填充了玻璃纖維，可與鋁合金等金屬直接強力接合。該公司將充分利用其樹脂部分具有高強度、高剛性的特點，力爭在汽車車體骨架和轉向構件等領域投入實用。通過替換部分鋼制部件實現輕量化。
圖7：與金屬強力接合的玻璃纖維增強PA
玻璃纖維增強PA（貼有JF-30G字樣）與金屬直接接合的試片。因為玻璃纖維的填充率高，所以強度和剛性良好。
新型玻璃纖維增強PA在PA6或PA66中添加了重量比例為70％的玻璃纖維。使玻璃纖維的填充率達到“業內高水平”（該公司），并在樹脂中均勻分散。通過這一舉措，提高強度和剛性，得到了曲翹少、外觀品質良好的成型品。彎曲強度為480MPa，彎曲彈性為28GPa。
而以往的通用玻璃纖維增強PA，也就是玻璃纖維重量比例為30％的PA6，其彎曲強度只有240MPa，彎曲彈性只有8.5GPa。也就是說，新型玻璃纖維增強PA與以往的通用玻璃纖維增強PA相比，彎曲強度是后者的2倍，彎曲彈性提高到了后者的3倍多。
金屬與新型玻璃纖維增強PA通過“錨固效應”接合。具體使用的是大成PLAS（總部：東京）的異種材料接合技術“NMT（Nano Molding Technology）”。先將金屬工件浸泡在藥液中進行表面處理，再在金屬工件的表面大量形成nm尺寸的微孔。然后將金屬工件放入模具，注射新型玻璃纖維增強PA進行嵌件成型。這樣一來，熔融樹脂會進入微孔并凝固，起到楔子的作用，將金屬與玻璃纖維增強PA牢牢接合在一起。
新型PA提高了流動性。容易穿過玻璃纖維的縫隙，流入金屬工件表面的微孔。而且優化了結晶化速度，樹脂會在進入微孔后凝固。而以往的PA流動性低，不僅不易流過玻璃纖維的縫隙，而且有時在進入微孔前就會凝固。因此，金屬與玻璃纖維增強PA的接合強度較低。
CFRP與橡膠一體成型的復合部件
藤倉橡膠工業試制出了CFRP管表面覆蓋橡膠的“CFRP-橡膠復合管”（圖8）。這是使作為CFRP母材的環氧樹脂與橡膠同時硬化制成的一體部件。與無橡膠的CFRP管相比，能夠獲得可快速衰減振動的特性、耐磨性、防滑效果和絕緣性等。
圖8：CFRP與橡膠一體成型的復合部件
通過使CFRP的母材環氧樹脂與橡膠同時硬化，制成一體部件。
通過在環氧樹脂中加入特定成分，環氧樹脂與橡膠發生化學反應，形成了交聯結構。再加上錨固效應，橡膠不會從CFRP上脫落下來。無需使用粘合劑。橡膠除包裹管件表面外，還可以按照CFRP-橡膠-CFRP的結構，在層間注入。藤倉橡膠工業表示，“如果是只使用CFRP的管件，其他公司也能制造，我們希望使產品具備功能性，借此實現差異化”。
更多信息請關注復合材料信息網m.lzzz.net
減輕52％的制動踏板
F-TECH通過更換材料、組合中空形狀，開發出了輕量化的制動踏板（圖5）。使用聚苯硫醚（PPS）制作截面中空的框架部件，兩側包裹鋁合金板沖壓成型品。PPS與鋁合金接合使用大成PLAS（總部：東京）的異種材料接合技術“Nano Molding Technology（NMT）”。將經過了化學轉化處理的鋁合金板沖壓成型品放入模具中，然后通過注射PPS進行嵌件成型。
圖5：利用異種材料接合減重52％的制動踏板
新型制動踏板通過更換材料、組合中空形狀，成功減輕了重量（a）。鋁合金板沖壓成型品夾在PPS制成的框架部件的兩側（b）。
而現行制動踏板由實心的鋼制部件焊接而成。如果為減輕重量而采用中空形狀，在焊接時很難維持加工精度。
新型制動踏板的重量為400g，比現行制動踏板的892g輕52％。但部件有6個，比現行制動踏板多3個。因此成本估計高于現行制動踏板。據稱已經有日本的汽車企業決定采用。
傳動軸通過摩擦壓接減重3成
泉美工業（IZUMI MACHINE MFG，總部：愛知縣大府市）開發出了通過摩擦壓接，將鋼與鋁合金接合在一起的技術。接合的材料為A6061、S45C（碳素結構鋼）等（圖6）。目前正針對傳動軸等軸件的輕量化用途，向客戶等提交解決方案。接合部的拉伸強度可確保達到鋁合金拉伸強度的80％以上。
圖6：通過摩擦壓接減輕了重量的傳動軸樣品
鋁合金A6061與碳素結構鋼S45C直接接合。
摩擦壓接是用于軸件連接等用途的技術，該技術通過旋轉一方的構件并按壓在另一方構件上，利用摩擦來發熱，然后加壓接合。因為接合時的溫度低于熔點，而且加工時間短，所以屬于材料不熔融的固態接合。但在摩擦熱和壓力的作用下，接合界面會產生鐵與鋁的金屬間化合物。
鐵與鋁的金屬間化合物雖然是接合所需的物質，但物理性質脆硬，如果大量生成并形成厚層，接合處容易斷裂。摩擦壓接與焊接相比，溫度低、加工時間短，金屬間化合物層很薄，只有數μm，有望取得良好的接合效果。
已知可接合的鋼與鋁合金的配對如下：鋼為碳鋼、鉻鉬鋼、鉻鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、不銹鋼等，鋁合金為A1000系、A5000系、A6000系等（A6000系與碳素工具鋼、合金工具鋼的組合除外）。
與金屬粘合的玻璃纖維強化PA
東洋紡開發出了適合與金屬實施異種材料接合、強度和剛性出色的玻璃纖維增強聚酰胺（PA）“GLAMIDE JF-30G ”（圖7）。這種樹脂高密度填充了玻璃纖維，可與鋁合金等金屬直接強力接合。該公司將充分利用其樹脂部分具有高強度、高剛性的特點，力爭在汽車車體骨架和轉向構件等領域投入實用。通過替換部分鋼制部件實現輕量化。
圖7：與金屬強力接合的玻璃纖維增強PA
玻璃纖維增強PA（貼有JF-30G字樣）與金屬直接接合的試片。因為玻璃纖維的填充率高，所以強度和剛性良好。
新型玻璃纖維增強PA在PA6或PA66中添加了重量比例為70％的玻璃纖維。使玻璃纖維的填充率達到“業內高水平”（該公司），并在樹脂中均勻分散。通過這一舉措，提高強度和剛性，得到了曲翹少、外觀品質良好的成型品。彎曲強度為480MPa，彎曲彈性為28GPa。
而以往的通用玻璃纖維增強PA，也就是玻璃纖維重量比例為30％的PA6，其彎曲強度只有240MPa，彎曲彈性只有8.5GPa。也就是說，新型玻璃纖維增強PA與以往的通用玻璃纖維增強PA相比，彎曲強度是后者的2倍，彎曲彈性提高到了后者的3倍多。
金屬與新型玻璃纖維增強PA通過“錨固效應”接合。具體使用的是大成PLAS（總部：東京）的異種材料接合技術“NMT（Nano Molding Technology）”。先將金屬工件浸泡在藥液中進行表面處理，再在金屬工件的表面大量形成nm尺寸的微孔。然后將金屬工件放入模具，注射新型玻璃纖維增強PA進行嵌件成型。這樣一來，熔融樹脂會進入微孔并凝固，起到楔子的作用，將金屬與玻璃纖維增強PA牢牢接合在一起。
新型PA提高了流動性。容易穿過玻璃纖維的縫隙，流入金屬工件表面的微孔。而且優化了結晶化速度，樹脂會在進入微孔后凝固。而以往的PA流動性低，不僅不易流過玻璃纖維的縫隙，而且有時在進入微孔前就會凝固。因此，金屬與玻璃纖維增強PA的接合強度較低。
CFRP與橡膠一體成型的復合部件
藤倉橡膠工業試制出了CFRP管表面覆蓋橡膠的“CFRP-橡膠復合管”（圖8）。這是使作為CFRP母材的環氧樹脂與橡膠同時硬化制成的一體部件。與無橡膠的CFRP管相比，能夠獲得可快速衰減振動的特性、耐磨性、防滑效果和絕緣性等。
圖8：CFRP與橡膠一體成型的復合部件
通過使CFRP的母材環氧樹脂與橡膠同時硬化，制成一體部件。
通過在環氧樹脂中加入特定成分，環氧樹脂與橡膠發生化學反應，形成了交聯結構。再加上錨固效應，橡膠不會從CFRP上脫落下來。無需使用粘合劑。橡膠除包裹管件表面外，還可以按照CFRP-橡膠-CFRP的結構，在層間注入。藤倉橡膠工業表示，“如果是只使用CFRP的管件，其他公司也能制造，我們希望使產品具備功能性，借此實現差異化”。
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