纖維增強尼龍輕量化及高強度解決方案

發(fā)布于2023-06-02 11:06:10 點擊：0

1玻璃纖維增強尼龍一直投資于材料研發(fā)，并為不同的合作伙伴開發(fā)出令人興奮的應用產品。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玻璃纖維增強尼龍為原材料。這款諧振腔，由寶馬集團、杜邦高性能材料公司和MANN+HUMMEL密切合作共同開發(fā)，降低了兩個渦輪增壓發(fā)動機的噪音，帶來了更加愉快的駕駛體驗。這種材料的輕質和高強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減少排放的需要，是這種新應用的推動力。汽車制造商正在不斷尋找替代品，以應對歐盟減少溫室氣體排放的目標，從而導致歐洲新車市場出現(xiàn)重大變化。目標要求在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。

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壽命期間，可靠地承受發(fā)動機艙或汽車外部嚴格的要求。限制排放的方法之一是通過渦輪增壓發(fā)動機——減少發(fā)動機油耗的同時保持原有的功率。然而，減少發(fā)動機尺寸的副作用是發(fā)動機中的熱量增加，因此需要用于動力系統(tǒng)的工業(yè)元件，其在高熱、苛刻化學環(huán)境中是耐用的。






第一個解決這種趨勢的公司之一，Zytel® PLUS是同類產品中的第一個。Zytel® PLUS系列是該公司輕量化項目的一部分，通過這些產品，杜邦幫助制造商應對這些壓力。杜邦相信輕量化技術可在降低結構重量的同時不會影響產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，包括減少能量消耗、實現(xiàn)更好的設計，改進的可用性，以及用于復雜工業(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，該產品已成為杜邦公司產品系列的一部分。尼龍是業(yè)界最具適應性的材料之一，其在性能、成本和加工之間達到了良好的平衡——能夠提高部件性能、延長部件壽命，在改善流動性的同時保持設計和加工性的易用性。25年以來，以玻璃纖維或礦物增強的尼龍6和66級材料具有耐熱性和水解穩(wěn)定，一直是汽車領域應用領域的首選材料。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)動機、傳動系統(tǒng)和冷卻應用提供更卓越的耐高溫和耐化學性。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，同時結合了尼龍廣為人知的高流動性和易加工性。Zytel® PLUS系列包括四種耐化學、耐熱和耐油等級，可根據(jù)目標應用進行優(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品，由于其優(yōu)異的性能，即使長期暴露于高達230℃的高空氣溫度下，仍具有非常好的表面質量，以及抗熱發(fā)動機油和氯化鈣溶液特性。
Zytel® PLS95G50DH2 BK 261是一種高流動性尼龍，玻璃纖維含量增加50%。它結合了非常好的抵抗高達210℃高溫長期影響(短期峰值可高達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、油和化學品時能夠保持良好的長期性能，具有非常好的焊縫強度和爆裂壓力強度。
Zytel® PLS90G30DR BK099因其卓越的耐發(fā)動機冷卻液和熱水性而著稱，是生產散熱器末端水箱、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優(yōu)越的機械性能，是非常適合長距離流動及低壁厚度注塑，也為電氣和電子元件、衛(wèi)生設備或工業(yè)設施零部件的應用設計提供了新的視角。這些發(fā)展標志著尼龍的耐熱性和耐化學性成功提升到了新的水平。它們的主要優(yōu)點在于其低比重、高流動性，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，取決于應用目標，其滿足抗性要求遠遠優(yōu)于目前常用的尼龍(表1)。這種技術的效率最好通過兩種熱穩(wěn)定的玻璃纖維增強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。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小時后失去其拉伸強度的約一半(從210MPa 降低至105MPa)(相當于車輛行駛約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，標準級在約800小時后失去了其拉伸強度的一半，而PLUS級在其抗拉強度小于其初始值的一半之前耐受該溫度超過3000小時。 在這個階段，標準級幾乎完全碳化。

在斷裂應變方面能夠發(fā)現(xiàn)同樣的趨勢。在180℃時，傳統(tǒng)穩(wěn)定的級別在2000小時之后該性質已經達到其原始值的近一半，但新的ZSYL PLS95G35DH1 BK549尼龍即使在3,000小時后其斷裂應變也幾乎沒有變化。在210℃的空氣烘箱老化期間，傳統(tǒng)穩(wěn)定級的中間點位于剛好在700小時以下，而Zytel®PLUS 級在2000小時后才達到這一點，并且甚至在3000小時后仍然保持應變斷裂率為1%(約為其原始值的1/3)。
Zytel® PLS95G35DH1 BK549是一種高流動性的核心產品，即使長期暴露于高達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量和對熱機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時間、總的系統(tǒng)成本，在符合排放目標的同時，而不會影響他們汽車的設計、風格和駕駛體驗。為了滿足這些關鍵目標，汽車制造商與杜邦公司在車輛材料、設計和加工技術方面進行專業(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 的應用增加;并對發(fā)動機進行了改裝。舉例來說，在改變汽車發(fā)動機時，渦輪增壓是能保持設計的同時提高小型發(fā)動機功率的重要部分。然而，來自這種發(fā)動機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。
渦輪增壓的另一個副作用是使發(fā)動機的溫度升高。發(fā)動機的性能提高，而與此同時，可用空間日益減少，這就減少了通過發(fā)動機艙的空氣量，再結合包圍發(fā)動機和整個底盤的包層，所有這些都會導致溫度的增加，從150℃到 180℃以上，在某些情況下甚至達到230℃的峰值。
Zytel® PLUS 95G35提供了理想的特性，能夠承受極端熱量，同時滿足大多數(shù)汽車制造商的設計要求。Zytel® PLUS 95G35諧振腔意味著降低了汽油發(fā)動機的噪音，提高了用戶的駕駛體驗。Zytel® PLUS是一種采用了杜邦獨有的盾牌技術(SHIELD)的高性能尼龍，其長期耐高溫和耐腐蝕流體性相當出眾，是適用于發(fā)動機艙內的應用的理想選材。杜邦盾牌技術(SHIELD)技術結合了多項創(chuàng)新，包括全新的聚合物基體、聚合物改性技術和一系列特別添加劑，能將常規(guī)尼龍在高溫及熱油、汽車冷卻液和融雪鹽等腐蝕性化學物質環(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)動機空氣管理系統(tǒng)的一部分。寶馬i8的諧振腔由于其自身的功能性特點，體積相對較大，經過壁厚的優(yōu)化設計并采用高剛度、高強度等級的Zytel® PLUS之后，其重量僅為1.5公斤。選用了Zytel® PLUS的諧振腔可長時間承受-40℃至190℃的工作溫度以及發(fā)動機熱氣體和液體環(huán)境。除了其熱管理功能之外，其靈活性不限制汽車的設計。
    5計算機輔助工程
 制造商們努力提升產品性能、提高生產效率，使用計算機輔助工程技術是他們價值鏈合作伙伴的另一個層次，可以優(yōu)化材料選擇、測試并改進制造方法、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)百萬個數(shù)據(jù)點，為材料建模、驗證和分析提供關鍵信息。
通過仔細聆聽價值鏈合作伙伴的需求，杜邦已經增加了其材料開發(fā)和應用能力的深度和廣度。計算機輔助工程是開發(fā)BMW i8諧振腔的關鍵。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)在稱為高級計算機輔助工程)擁有了計算機輔助工程的能力。高級計算機輔助工程是一種設計工具，通過對各向異性材料行為的精確建模，給予用戶對增強材料產品更高的信心。
使用這種先進的技術幫助工程師開發(fā)產品，以更準確的方式預測產品或零件的性能。這減少了設計迭代的次數(shù)并縮短了用于固定諧振腔的最終設計的開發(fā)時間。
作為滿足排放目標方案的最后期限，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性、耐熱空氣、耐油和耐冷卻劑相結合。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商合作，利用計算機模擬設計技術確定輕質和高強度材料的市場需求。



 
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