加拿大进口泡沫铝在汽车上的应用，展望汽车泡沫铝工业前景

摘要: 泡沫铝是一种新型多功能材料,具有独特的结构和优异的性能。轻量化、低能耗和安全舒适是汽车工业的发展趋势。泡沫铝在汽车工业中的应用能够满足汽车优化设计的多方面要求。经过多年的发展,泡沫铝在汽车工业中得到了越来越多的应用。泡沫铝在汽车工业中的应用领域主要有:轻质结构、吸能结构和阻尼传热结构等。介绍了泡沫铝在汽车上的各种应用。并且以Cymat泡沫铝为例介绍了泡沫铝在汽车上的系统应用。展望了泡沫铝在汽车工业的应用前景。

关键词:泡沫铝;汽车工业;轻质结构;吸能构件

泡沫金属具有一系列的优良性能:孔隙率高、比表面积大、高比强度、高比刚度、吸能、阻尼减震性能好、耐腐蚀、耐高温、电磁屏蔽、无毒、易加工、可进行涂装表面处理等。由于其优异的物理、力学性能,泡沫金属既可作为结构材料也可作为功能材料应用。一般情况下它兼具功能和结构双重作用,是一种功能和结构一体化的性能优异的多功能工程材料。泡沫金属被广泛应用到航空航天、电子通讯、交通运输、原子能、医学、环保、冶金、机械、建筑、电化学和石油化工等领域。

泡沫金属与传统材料的最大不同在于其具有千变万化的微结构,在保持高孔隙率的前提下,孔径可逐渐由毫米级减小到微米甚至纳米级。因此,多孔金属具有良好的可设计性,可以根据不同应用的需求在制备前对其微细结构进行创新构型优化设计及多功能协同设计。

轻量化、低能耗和安全舒适是汽车的发展方向,改进汽车结构是减轻汽车自重、提高燃油效率的方法,但是驾驶室的空间难以进一步减小。采用小型发动机或减小其他结构,又会带来诸如发动机散热,以及由于缩短车身引起的碰撞安全等问题。降低汽车噪音的要求导致对新的吸声材料的需求,因此采用轻量化多功能材料制造汽车零件为这类问题提供了可行的解决方案。在对材料价格和质量要求都很苛刻的汽车行业,泡沫铝零配件(如图1所示)的使用可以达到减轻汽车质量、降低单位油耗抑制振动、减少环保负担、增加汽车安全舒适感等目的。泡沫铝在汽车工业中的应用主要包括轻质结构、吸能结构和阻尼传热结构等,如图2所示。

三个圆分别表示不同的应用领域,圆外文字阐明了与这三个应用领域对应的泡沫铝的优势特征。两圆重合部分代表泡沫铝的双重功能集成。理想的应用是三圆重合所代表的多重功能集成。抑制振动、减少环保负担、增加汽车安全舒适感等目的。泡沫铝在汽车工业中的应用主要包括轻质结构、吸能结构和阻尼传热结构等,如图2所示。三个圆分别表示不同的应用领域,圆外文字阐明了与这三个应用领域对应的泡沫铝的优势特征。两圆重合部分代表泡沫铝的双重功能集成。理想的应用是三圆重合所代表的多重功能集成。

1轻质结构

因为泡沫铝的相对密度小和比刚度高(如图2所示),所以使用泡沫铝制成的零部件既能满足相应的刚度要求,又能极大减轻汽车的重量。泡沫铝的密度大大低于基体材料,有时孔隙率甚至高达99%。泡沫铝的比强度很高,能产生可逆的准弹性变形。对于有缺陷的泡沫铝,弹性模量与密度呈二次方的函数关系。对于理想的闭孔泡沫铝,弹性模量与密度呈线性关系。泡沫的缺陷越少,泡沫铝的弹性模量越高,刚度也越高。

泡沫铝在汽车制造中的应用多为泡沫铝夹层结构。泡沫铝夹层结构包括泡沫铝异型件(如图1)、泡沫铝夹层板(如图3)和泡沫铝充填结构等。泡沫铝夹层结构的芯层为泡沫铝,内外包覆层为铝板或其他金属薄板。对于泡沫铝夹层结构设计的优化涉及两个主要因素:包覆层的厚度和泡沫铝芯材的合适密度。

如图3所示的泡沫铝夹层板,外层是冲压加工成需要形状的铝板,中间充填铝粉和TiH2(发泡剂)颗粒的混合物。混合物在高温条件下就熔融发泡成泡沫铝,从而与外层铝板粘接在一起。其工艺特点是构件的成型在高温发泡之前。这种方法加工的车身板件刚度提高10倍,而重量减轻50%。用泡沫铝夹层板代替传统的钢板制作的汽车发动机罩的刚度是原来钢构件的7倍左右,而质量却比钢件小25%。同样的方法也可用于生产泡沫铝异型件,有的零件甚至可减重27.2kg左右。汽车车身构件目前约有20%可用泡沫铝夹层结构制造。随着泡沫铝制备方法和加工工艺的改进和发展,将来能够应用泡沫铝夹层结构的汽车零件会更多。采用泡沫铝夹层结构,同时可大大简化汽车结构,零部件数可减少1/3以上。泡沫铝夹层板用作防火墙就可省去热防护体和相关的连接件。小型家用轿车采用泡沫铝可减重60kg,相当于每公里减少油耗1升,废气排放量也同比减少。

2吸能结构

泡沫铝作为吸能结构主要利用的是泡沫铝的比强度高和σ-ε曲线中应力平台的特性。均匀的泡沫铝有很好的吸能特性,σ-ε曲线上的塑性变形阶段(名义应变在0.5%～75%的范围)的应力几乎恒定不变,而且能够吸收各方向的能量。泡沫铝在变形时大量的能量被转变为塑性能,以热量形式耗散,是用作撞击防护的优良材料。泡沫铝还是典型的韧比材料,可以防止泡沫铝构件存在裂纹和缺陷时发生瞬间的灾难性破坏。泡沫铝在动态冲击状态下的回弹变形很小。泡沫铝的回弹率小于3%,而聚氨酯泡沫达到15%,因此可以有效避免碰撞事故中的二次伤害。

泡沫铝单位体积吸收的能量可高达6MJ/m3～9MJ/m3。充填泡沫铝的结构可以显著改变未充填结构的变形行为和破裂方式,提高吸能能力。奥迪、大众和菲亚特等汽车公司已将泡沫铝填充管用作发动机前部的冲击能量吸收器,使吸能能力显著增加,从而减小冲击载荷波动(如图4所示)。泡沫铝在恒定压缩应力作用下,吸能是以孔壁发生弯曲和屈曲直到孔壁壁面破碎的方式进行的。管子在压缩应力作用下发生有规律的一系列圆环屈曲变形直到整个管子屈曲。泡沫铝对管子内部起到一定的支撑作用,缩短了管子屈曲波长,从而在单位长度上产生更多的塑性褶皱,吸能能力可提高30%,管子的抗冲击能力得到增强。

欧洲一些大的汽车公司如卡曼、大众、宝马、欧宝、菲亚特、雷诺、戴姆勒—奔驰等都已采用泡沫铝制造汽车侧面与前部防撞零部件、轴架和车身板件等。实验结果表明,这些零部件都有很强的吸能能力。

3振动噪声控制

在汽车工业中吸声减振是一个非常重要的研究领域。采用泡沫铝就可以使汽车本身发出的噪声不扩散到周围环境,来自外部声源的噪声隔离在车外。

声波在泡沫铝界面处一部分被反射、一部分透射进入泡沫铝。如果泡沫铝的表面不是闭合的,反射波就会发生破坏性的消弱。泡沫铝材料尤其是开孔泡沫铝,当声音透射进入泡沫铝时,可以在材料内部发生散射、干涉和漫反射,使内部骨架振动。声波在开孔泡沫铝内部,每秒都会许多次压迫空气通过孔道。当气流通过孔道时,空气与孔壁发生摩擦,而且会形成湍流。因此声能部分转化为热能并且通过热传递消耗掉,从而起到吸声的作用。泡沫铝的功耗因数比铝高一个数量级。当开孔泡沫铝孔径在0.1mm～0.5mm之间时其吸声效果达到最优。

泡沫铝的吸声性能可用吸声系数来衡量,吸声系数越大则吸声性能越好。泡沫铝的吸声性能主要取决于孔隙特征,通孔吸声性能好于闭孔。孔隙率越大、孔径越小,吸声性能越好。闭孔泡沫铝切片挤压处理后,就会出现足够数量的裂纹和其他的孔壁缺陷。这样,闭孔泡沫铝也能具备较好的吸声性能。泡沫铝的吸声性能在低频范围内与频率的变化无显著关系。卡曼(Karmann)汽车公司制备的泡沫铝夹层板,在50Hz～400Hz范围内有较好的吸声减振性能,对频率大于800Hz的噪声的消声效果最好。有的泡沫铝可以吸收1kHz～5kHz频率范围声波的99%以上。图5是泡沫铝填充的汽车发动机支架和构件,在工作中起到了很好的吸声减振效果。实验结果表明,采用泡沫铝夹层结构,不但能加强汽车构架的刚度,而且构架稳定性能提高30%。

4散热、隔热、安全和环保方面的应用

开孔泡沫铝在强迫对流的条件下是优良的传热介质,可以作为承受高密度热流的散热装置。同时,泡沫铝热导率低,具有很好的耐热、阻燃性能。德国卡曼汽车公司的泡沫铝夹层板保温绝热性能比铝高95%。泡沫铝夹层结构的外层薄铝板与芯层泡沫铝不需进行专门的胶接或压接,在受热状态下泡沫铝不会释放有毒气体。在交通运输工具中采用泡沫铝材料来代替泡沫塑料或发泡树脂材料,可以提高使用寿命,减少维修。同时也消除了传统材料在车辆事故中所产生的有害气体,大大降低交通事故中的损失和人员伤亡,也起到环保的作用。泡沫铝失效破裂过程温和,不会发生突然的断裂,因而更安全。泡沫铝也是一种抗破坏的耐用材料,可以完全回收再利用,不存在污染和废弃物问题。

5Cymat泡沫铝在轿车上的应用实例

加拿大Cymat铝业公司的Cymat泡沫铝采用“气体吹入金属液法”生产。该工艺通常把基体材料(锻铝或铸铝合金)用传统铸造设备熔化,然后添加10%～30%(vol)的增黏剂(SiC或Al2O3颗粒),通过搅拌器搅拌使增黏剂分布均匀。将混合熔体倒入装有漏斗的容器,通过小喷口将气体注入搅拌器,形成分散的小气泡。气泡大小可通过调整气体流速、搅拌器设计(喷口数量和尺寸)和搅拌速度来控制。气泡上浮到表面并聚集。被气泡包围的陶瓷颗粒借助合适的界面,能起到稳定气孔壁和推迟气泡合并的作用;同时还有增加熔体黏度、减慢气泡上升速率的作用。液态金属泡沫通过传送带进行运送,并同时冷却凝固可获得闭孔泡沫。泡沫的相对密度主要受工艺参数的影响,如搅拌速度、气体流量、熔体中的颗粒数量以及凝固条件等。Cymat泡沫铝作为汽车产品的填充物已广泛应用于德国格奥菲舍尔汽车。

Cymat泡沫铝具有优良的性能。Cymat泡沫铝做成的引擎盖能抵抗11m/s的头形物撞击,可有效保护乘员。Cymat泡沫铝充填的碰撞吸能盒能抵抗5m/s的碰撞。Cymat泡沫铝充填的A、B柱的抗弯强度是空心柱的3倍。Cymat泡沫铝可铸造复杂的加肋结构,从而简化模具设计和加工方法。

Cymat泡沫铝的主要性能参数:相对密度ρ/ρs=0.02GPa～0.2GPa、杨氏模量E=0.02GPa～210GPa、切变模量G=0.01GPa～1.0GPa、弯曲模量Ef=0.03GPa～3.3GPa、泊松比υ=0.31～0.34、抗压强度σc=0.04MPa～7.0MPa、抗拉强度σt=0105MPa～8.5MPa、热导率λ=0.3W/(m・K)～10W/(m・K)。采用Cymat泡沫铝夹层结构制成的汽车零部件在轿车上的应用如图6所示。

除图6标识出的应用外,泡沫铝还可应用于汽车的前纵梁、后纵梁、保险杠和底盘之间的冲击能量吸收结构、内部用具与装饰件、翼子板、顶盖板、顶盖纵梁、后隔板、连杆,活塞,下控制臂,传动齿轮,气缸体,制动器汽缸活塞、消声器等。

6结语

泡沫铝不是一种便宜的材料,生产加工工艺也比较复杂。制备泡沫铝的原材料(铝粉或铝合金)也较贵。因此在汽车上直接用泡沫铝代替现有材料并不可取。泡沫铝是集优良的机械、物理、热学、声学等性能于一身的多功能集成材料。因此发挥泡沫铝的多功能集成特性,是泡沫铝走向实用化的关键。虽然泡沫铝的成本较高,但从长远来看仅泡沫铝使汽车轻量化所节省的燃油费用就足以抵消泡沫铝所带来的较高成本。

尽管对泡沫铝的研究已比较深入和系统,但是在汽车上的应用远未达到完善成熟的阶段。目前,仅能在一小部分汽车零部件上使用。伴随新的制备方法和工艺的出现,以及现有制备方法和工艺的改进,会进一步拓宽泡沫铝在汽车上的使用范围。一些目前看不可能的应用领域也将成为可能。相对于铝合金型材和蜂窝铝结构,泡沫铝更易于制造,成本更低廉。泡沫铝的应用为汽车的减重、吸能、节能、环保、安全等一系列问题的解决提供了新的可行的途径。

内容转载自：汽车新材料部落