纖維增強(qiáng)尼龍輕量化及高強(qiáng)度解決方案

發(fā)布于2023-06-02 11:06:10 點(diǎn)擊：0

1玻璃纖維增強(qiáng)尼龍一直投資于材料研發(fā)，并為不同的合作伙伴開發(fā)出令人興奮的應(yīng)用產(chǎn)品。寶馬i8跑車就是這種投資類型的完美一例。寶馬i8跑車新的諧振腔采用杜邦™Zytel® PLUS95G35玻璃纖維增強(qiáng)尼龍為原材料。這款諧振腔，由寶馬集團(tuán)、杜邦高性能材料公司和MANN+HUMMEL密切合作共同開發(fā)，降低了兩個(gè)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音，帶來了更加愉快的駕駛體驗(yàn)。這種材料的輕質(zhì)和高強(qiáng)度特性還利于減少燃料消耗和CO2 排放。

在不降低性能的同時(shí)減少排放的需要，是這種新應(yīng)用的推動(dòng)力。汽車制造商正在不斷尋找替代品，以應(yīng)對歐盟減少溫室氣體排放的目標(biāo)，從而導(dǎo)致歐洲新車市場出現(xiàn)重大變化。目標(biāo)要求在2021 年之前將車輛二氧化碳的排放量控制在95g/km以下的水準(zhǔn)。

這些對環(huán)境政策的考慮，意味著在汽車行業(yè)有越來越多的成本效益的需求。易加工的熱塑性塑料能夠在車輛的整個(gè)壽命期間，可靠地承受發(fā)動(dòng)機(jī)艙或汽車外部嚴(yán)格的要求。限制排放的方法之一是通過渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)——減少發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的同時(shí)保持原有的功率。然而，減少發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的副作用是發(fā)動(dòng)機(jī)中的熱量增加，因此需要用于動(dòng)力系統(tǒng)的工業(yè)元件，其在高熱、苛刻化學(xué)環(huán)境中是耐用的。






第一個(gè)解決這種趨勢的公司之一，Zytel® PLUS是同類產(chǎn)品中的第一個(gè)。Zytel® PLUS系列是該公司輕量化項(xiàng)目的一部分，通過這些產(chǎn)品，杜邦幫助制造商應(yīng)對這些壓力。杜邦相信輕量化技術(shù)可在降低結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)不會(huì)影響產(chǎn)品的耐用性和可持續(xù)性。這些材料已被證明具有多重優(yōu)點(diǎn)，包括減少能量消耗、實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)計(jì)，改進(jìn)的可用性，以及用于復(fù)雜工業(yè)，如汽車行業(yè)的多功能屬性。

2一直都在發(fā)展中的尼龍系列材料Zytel® PLUS材料是原有尼龍系列材料的一部分。自1935年開發(fā)以來，該產(chǎn)品已成為杜邦公司產(chǎn)品系列的一部分。尼龍是業(yè)界最具適應(yīng)性的材料之一，其在性能、成本和加工之間達(dá)到了良好的平衡——能夠提高部件性能、延長部件壽命，在改善流動(dòng)性的同時(shí)保持設(shè)計(jì)和加工性的易用性。25年以來，以玻璃纖維或礦物增強(qiáng)的尼龍6和66級材料具有耐熱性和水解穩(wěn)定，一直是汽車領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域的首選材料。究其原因，是由于在原則上它們具有高的成本效率。與許多更昂貴的替代品，如專業(yè)尼龍46、6T和PPA或高性能熱塑性樹脂如PEEK、PSU相比，它們更易于加工，且具有韌性和耐沖擊性。
Zytel® PLUS是最新級別的尼龍系列之一，可為苛刻的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和冷卻應(yīng)用提供更卓越的耐高溫和耐化學(xué)性。Zytel® PLUS是一種高溫塑料，可以抵抗熱空氣、熱油和熱水。它具有卓越的性能和出眾的表面外觀，同時(shí)結(jié)合了尼龍廣為人知的高流動(dòng)性和易加工性。Zytel® PLUS系列包括四種耐化學(xué)、耐熱和耐油等級，可根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，盡管它更常見于汽車工業(yè)。

四種等級的Zytel® PLUS尼龍系列有：
Zytel® PLS95G35DH1 BK549是核心和高度通用的產(chǎn)品，由于其優(yōu)異的性能，即使長期暴露于高達(dá)230℃的高空氣溫度下，仍具有非常好的表面質(zhì)量，以及抗熱發(fā)動(dòng)機(jī)油和氯化鈣溶液特性。
Zytel® PLS95G50DH2 BK 261是一種高流動(dòng)性尼龍，玻璃纖維含量增加50%。它結(jié)合了非常好的抵抗高達(dá)210℃高溫長期影響(短期峰值可高達(dá)230℃)的性能，在高溫下的剛度和抗蠕變性增加，從而使其成為遮光罩的理想應(yīng)用。
Zytel® PLS93G35 DH1 BK549能夠提供224℃的低熔融溫度(所有其他等級：約265℃)，并且在暴露于熱、油和化學(xué)品時(shí)能夠保持良好的長期性能，具有非常好的焊縫強(qiáng)度和爆裂壓力強(qiáng)度。
Zytel® PLS90G30DR BK099因其卓越的耐發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液和熱水性而著稱，是生產(chǎn)散熱器末端水箱、恒溫器外殼和其他與冷卻液直接接觸的組件的理想選擇。
這些新的、耐高溫尼龍，展示了其在很寬溫度范圍內(nèi)優(yōu)越的機(jī)械性能，是非常適合長距離流動(dòng)及低壁厚度注塑，也為電氣和電子元件、衛(wèi)生設(shè)備或工業(yè)設(shè)施零部件的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供了新的視角。這些發(fā)展標(biāo)志著尼龍的耐熱性和耐化學(xué)性成功提升到了新的水平。它們的主要優(yōu)點(diǎn)在于其低比重、高流動(dòng)性，以及因此在低于其分解溫度的中等溫度下的易加工性被完全保留。
    3優(yōu)異的熱管理
 利用基礎(chǔ)材料和添加劑的精確組合能夠提供多方面的益處，取決于應(yīng)用目標(biāo)，其滿足抗性要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前常用的尼龍(表1)。這種技術(shù)的效率最好通過兩種熱穩(wěn)定的玻璃纖維增強(qiáng)PA66等級的顯微鏡圖像來說明。顯微切片所展示的是4毫米初始厚度的樣品，已暴露于溫度210℃下 1000小時(shí)。圖像中顯示了對傳統(tǒng)穩(wěn)定的PA66所造成的損害，下圖則顯示了使用新技術(shù)穩(wěn)定的Zytel® PLUS尼龍等級。

表1
在180℃的老化溫度下，傳統(tǒng)的穩(wěn)定等級在3000小時(shí)后失去其拉伸強(qiáng)度的約一半(從210MPa 降低至105MPa)(相當(dāng)于車輛行駛約150,000 公里)，而PLUS 等級在相同溫度下幾乎沒有劣化的跡象(表2)。在210℃的老化溫度下的比較(其變得越來越成為汽車工業(yè)中的決定性因素)差異更加清楚。在這種情況下，標(biāo)準(zhǔn)級在約800小時(shí)后失去了其拉伸強(qiáng)度的一半，而PLUS級在其抗拉強(qiáng)度小于其初始值的一半之前耐受該溫度超過3000小時(shí)。 在這個(gè)階段，標(biāo)準(zhǔn)級幾乎完全碳化。

在斷裂應(yīng)變方面能夠發(fā)現(xiàn)同樣的趨勢。在180℃時(shí)，傳統(tǒng)穩(wěn)定的級別在2000小時(shí)之后該性質(zhì)已經(jīng)達(dá)到其原始值的近一半，但新的ZSYL PLS95G35DH1 BK549尼龍即使在3,000小時(shí)后其斷裂應(yīng)變也幾乎沒有變化。在210℃的空氣烘箱老化期間，傳統(tǒng)穩(wěn)定級的中間點(diǎn)位于剛好在700小時(shí)以下，而Zytel®PLUS 級在2000小時(shí)后才達(dá)到這一點(diǎn)，并且甚至在3000小時(shí)后仍然保持應(yīng)變斷裂率為1%(約為其原始值的1/3)。
Zytel® PLS95G35DH1 BK549是一種高流動(dòng)性的核心產(chǎn)品，即使長期暴露于高達(dá)230℃的高空氣溫度下，也能顯示出優(yōu)異的性能。其具有非常好的表面質(zhì)量和對熱機(jī)油和氯化鈣溶液的高耐受性。除了耐受高溫的能力之外，它還能抵抗氯化鈣(CaCl2，其例如在亞洲、俄羅斯和加拿大用作道路鹽)。該材料用于汽車工業(yè)中具有顯著的功能。

4在跑車中的應(yīng)用由于環(huán)境壓力，汽車行業(yè)正在尋找替代材料，能夠幫助他們減少車輛生產(chǎn)時(shí)間、總的系統(tǒng)成本，在符合排放目標(biāo)的同時(shí)，而不會(huì)影響他們汽車的設(shè)計(jì)、風(fēng)格和駕駛體驗(yàn)。為了滿足這些關(guān)鍵目標(biāo)，汽車制造商與杜邦公司在車輛材料、設(shè)計(jì)和加工技術(shù)方面進(jìn)行專業(yè)合作，從車輛開發(fā)的最初階段到成品車下線到制造商的裝配線。這使得高性能材料，如Zytel®PLUS 95G35 的應(yīng)用增加;并對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改裝。舉例來說，在改變汽車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，渦輪增壓是能保持設(shè)計(jì)的同時(shí)提高小型發(fā)動(dòng)機(jī)功率的重要部分。然而，來自這種發(fā)動(dòng)機(jī)的較高頻率噪聲使得諧振腔成為渦輪增壓車輛的基本組件。
渦輪增壓的另一個(gè)副作用是使發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度升高。發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提高，而與此同時(shí)，可用空間日益減少，這就減少了通過發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空氣量，再結(jié)合包圍發(fā)動(dòng)機(jī)和整個(gè)底盤的包層，所有這些都會(huì)導(dǎo)致溫度的增加，從150℃到 180℃以上，在某些情況下甚至達(dá)到230℃的峰值。
Zytel® PLUS 95G35提供了理想的特性，能夠承受極端熱量，同時(shí)滿足大多數(shù)汽車制造商的設(shè)計(jì)要求。Zytel® PLUS 95G35諧振腔意味著降低了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音，提高了用戶的駕駛體驗(yàn)。Zytel® PLUS是一種采用了杜邦獨(dú)有的盾牌技術(shù)(SHIELD)的高性能尼龍，其長期耐高溫和耐腐蝕流體性相當(dāng)出眾，是適用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的應(yīng)用的理想選材。杜邦盾牌技術(shù)(SHIELD)技術(shù)結(jié)合了多項(xiàng)創(chuàng)新，包括全新的聚合物基體、聚合物改性技術(shù)和一系列特別添加劑，能將常規(guī)尼龍?jiān)诟邷丶盁嵊?、汽車?yán)鋮s液和融雪鹽等腐蝕性化學(xué)物質(zhì)環(huán)境下的使用壽命提高2-3倍。它是適用于空氣減少的熱穩(wěn)定系統(tǒng)的理想選材。
寶馬i8的諧振腔是跑車緊湊型1.5升3缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空氣管理系統(tǒng)的一部分。寶馬i8的諧振腔由于其自身的功能性特點(diǎn)，體積相對較大，經(jīng)過壁厚的優(yōu)化設(shè)計(jì)并采用高剛度、高強(qiáng)度等級的Zytel® PLUS之后，其重量僅為1.5公斤。選用了Zytel® PLUS的諧振腔可長時(shí)間承受-40℃至190℃的工作溫度以及發(fā)動(dòng)機(jī)熱氣體和液體環(huán)境。除了其熱管理功能之外，其靈活性不限制汽車的設(shè)計(jì)。
    5計(jì)算機(jī)輔助工程
 制造商們努力提升產(chǎn)品性能、提高生產(chǎn)效率，使用計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)是他們價(jià)值鏈合作伙伴的另一個(gè)層次，可以優(yōu)化材料選擇、測試并改進(jìn)制造方法、開發(fā)新材料和配方，從而滿足汽車行業(yè)的需求。在測試的每一秒，都能夠從資料中收集到數(shù)百萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，為材料建模、驗(yàn)證和分析提供關(guān)鍵信息。
通過仔細(xì)聆聽價(jià)值鏈合作伙伴的需求，杜邦已經(jīng)增加了其材料開發(fā)和應(yīng)用能力的深度和廣度。計(jì)算機(jī)輔助工程是開發(fā)BMW i8諧振腔的關(guān)鍵。在過去的兩三年中，杜邦公司通過使用線性和非線性數(shù)據(jù)(現(xiàn)在稱為高級計(jì)算機(jī)輔助工程)擁有了計(jì)算機(jī)輔助工程的能力。高級計(jì)算機(jī)輔助工程是一種設(shè)計(jì)工具，通過對各向異性材料行為的精確建模，給予用戶對增強(qiáng)材料產(chǎn)品更高的信心。
使用這種先進(jìn)的技術(shù)幫助工程師開發(fā)產(chǎn)品，以更準(zhǔn)確的方式預(yù)測產(chǎn)品或零件的性能。這減少了設(shè)計(jì)迭代的次數(shù)并縮短了用于固定諧振腔的最終設(shè)計(jì)的開發(fā)時(shí)間。
作為滿足排放目標(biāo)方案的最后期限，很明顯，汽車行業(yè)的未來在于Zytel® PLUS等這些創(chuàng)新，Zytel® PLUS將常規(guī)尼龍樹脂的易加工性與突破性的耐化學(xué)性、耐熱空氣、耐油和耐冷卻劑相結(jié)合。汽車制造商甚至在某些部件，如諧振腔，不再考慮鋁等材料。杜邦繼續(xù)與制造商和一級供應(yīng)商合作，利用計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)技術(shù)確定輕質(zhì)和高強(qiáng)度材料的市場需求。



 
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