超級汽車發動機下的耐高溫玻纖增強塑料應用
日期：2014-06-27
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在汽車行業，受“更長的保修期”和“新的燃油經濟性指令”兩大趨勢的推動，高性能、耐高溫玻纖增強塑料用量正在增長，更長的保修期意味著專用材料部件必須具有更長的使用壽命；燃油效率標準的提高，運行溫度更高的發動機裝入更緊湊的機艙中，許多機罩下部件將采用更輕的增強塑料取代金屬部件。過去，用于發動機罩下多種塑料部件證實了能耐在170~190℃的上限高溫環境下的熱老化性能，目前更新的動力系統要求部件能夠在高于200℃的高溫下長期使用，甚至在230℃的高溫下使用。玻纖增強塑料滿足了在溫度提高環境下確保耐化學性和耐油性，部件性能達到了前所未有的水平。
玻纖增強聚酰胺或尼龍混配料已成為發動機罩下復合材料對金屬替代的“先鋒”。巴斯夫曾在2010年的德國K展中推出了玻璃纖維填充PA6/6高溫樹脂系列。作為該產品線中的款產品UltramidENDURE D3G7，含有35%的玻璃纖維，被設計可在220℃的高溫下連續使用超過3000h，臨界高使用溫度可達240℃，尤其適用于發動機周邊的部件，特別是用于渦輪增壓發動機的進氣（熱交換）系統。目前，巴斯夫正在積極推進高溫樹脂在北美汽車行業中的應用，在2011年的德國Fakuma展會中推出了新級別的聚酰胺Ultramid ENDURE D3G10。這種50%玻璃纖維填充的PA6/6，幾乎比D3G7級別的剛性提高50%，目標應用主要針對中冷器端蓋以及進氣系統的其他部件。美國Behr Automotive公司（密歇根州Ttoy）采用50%玻璃纖維填充級別的Ultramid A3W2G10，生產出了個商業化的用于1.8L的渦輪增壓柴油發動機上的中冷器端蓋，該發動機被用于福特汽車公司的2009款Transit Connect/Tourneo Connect 有篷貨車上。據了解，該材料在220℃溫度的連續使用，超過了目前市場中大多數超高溫尼龍競爭材料210℃的上限溫度。
2010年，帝期曼工程塑料部向汽車市場新推出了Stany1 ForTii尼龍4/6樹脂系列。這種30%玻璃纖維填充的半脂肪族聚合物，比同等填充級別的帝斯曼尼龍系列產品擁有更高的熱變形溫度（HDT），可達到325℃。Stanyl ForTii熱性能的改善，得益于向C4脂肪鏈中添加了一種芳基，以及采用了一種獨特的玻璃纖維-填料組合填充物。該材料還擁有一個低線性熱膨脹系數（CLTE），大約為3.5×10-5mm/mm/℃。用Stanyl ForTii制成的部件與鋁部件相連接時，較低的CLTE值提供了比其他傳統尼龍材料制成的部件更好的表面密封特性，當向塑料中加入玻璃纖維時，纖維的無規取向導致了各向異性的大量形成。近，帝斯曼公司發現玻璃纖維填充級別的尼龍4/6材料，在動力傳動系統的耐磨損和摩擦應用中可取代諸如PEEK之類的超高溫熱塑性塑料方面有上升趨勢，這些應用包括：推力軸承、襯套、鏈條導軌和正時鏈，這些部件的使用溫度通常在150~180℃之間。Stanyl4/6強勁的增長表面在傳動正時鏈和導軌鏈耐磨表面的制造領域應用中，材料的高結晶度（70%-80%）提供了出色的潤滑和耐磨性。
2010年投入商業化應用的杜邦工程塑料的Zytel PLUS材料主要針對150-210℃的高溫應用環境。該聚酰胺產品采用了新的聚合物骨架、聚合物鏈改性材料以及各種添加劑，從而使其長期耐熱老化性、耐發動機潤滑油和耐水解性均高于傳統的尼龍6和 尼龍6/6。該產品系列中的核心產品是35%玻璃纖維填充的Zytel PLUS尼龍95G35，在150℃的熱老化試驗箱中存放4000h后，其拉伸強度和沖擊強度絲毫沒有受損。個采用該材料實現商業化應用的產品，是通用汽車公司2010款Cadillac SGM車型上的渦輪增壓發動機的蓋子，滿足180℃的連續使用溫度要求，高使用溫度則要達到200℃。近的一個應用是由印度Tata Toyo公司制造的中冷器，采用的Zytel PLUS級別材料是35%玻璃纖維填充的PA6/6芳香族共聚物，連續使用溫度在150~190℃。2008年，戴姆勒股份公司成為家在量產汽車上使用玻纖增強塑料制成的油底殼的汽車制造商。該組件由Zytel HSLRA4尼龍材料制成，并被用于戴姆勒的C級汽車上。近，斯堪尼亞汽車公司（瑞典sÖdertälje）成為家在商用貨車上集成一種增強塑料油底殼的汽車制造商。該油底殼/機油箱組件被用在該公司的13L發動機上，滿足了歐6排放標準。該油底殼采用35%玻璃纖維增強Zytel HSLX材料制成，是一種熱穩定的具有潤滑性的PA6/6，上限使用溫度為150℃。該部件長87mm，寬467mm，深203mm，在整個使用溫度范圍內可確保其尺寸的穩定性，其高使用溫度為200℃。
勞士領汽車公司（德國Kelsterbach）采用聚苯硫醚（PPS）吹塑成型一種進氣管，被大眾汽車公司用于2009款裝有勞士領汽車公司提供的2L柴油發動機的汽車上。它采用了泰科納工程聚合物公司的兩個級別的玻璃纖維填充Fortron PPS：管體本身由15%短玻纖增強Fortron PPS 1115LO材料吹塑成型而出，支架則由30%短玻纖增強Fortron PPS FX4330T7材料注塑成型而出。該進氣管的高使用溫度高達230℃，比替代的鋁管大約輕30%。
Buss北美公司（美國肯塔基州Russell Springs）近采用巴斯夫傳統的尼龍級別35%玻璃纖維填充的Ultramid A3WG7 HP bk20560,在克萊斯勒汽車公司2011款Pentastar發動機的塑料凸輪軸罩蓋上，實現了其所謂的“突破性的注塑成型部件公差”，其關鍵性的創新包括為凸輪軸罩蓋的功能表面提供了一種撓性密封解決方案，這種材料能夠在170℃下連續使用。
Freudenberg-NOK sealing Technologies公司近采用玻纖增強塑料注塑成型一種高度充滿的變速箱蓄能器活塞。該活塞被用于所有裝備了自動變速箱的克萊斯勒汽車上，采用雪佛龍菲利普斯化工公司的含65%填料（玻璃纖維和礦物填料各占50%）的Ryton R-7-120 PPS制成，替代了四氟乙烯（PTFE）的密封。該部件重與49.96g的鋁活塞相比，重量降低了47%，可以在高達150℃的操作溫度下有效運行約321870km。在蓄能器活塞中有兩個彈簧，從而要求材料的耐磨性要能抵御彈簧運動想起的磨損。該新的活塞幫助克萊斯勒汽車公司為每個變速箱節省了1.53美元，每年可節省超過200萬美元的成本。（資料來源于上海（國際）橡塑展會上提供材料：對Composites Technology MichaeiLeGalt一文進行了編輯）
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