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行业|玄武岩纤维材料在汽车轻量化上的应用
发表时间:2022-03-23     阅读次数:205    

汽车的诞生,给人类带来很大的便捷,对人类社会的发展与进步起到了极大的促进作用。在现代社会,汽车成为目前人们不可或缺的出行工具。然而随着汽车工业的不断发展,全球汽车销量急剧增加,给生态环境带来负面影响,如能源紧缺、环境污染、资源枯竭等一系列问题。转变传统高能耗、高污染的经济增长方式,大力推进节能减排,发展以低能耗、低排放为标志的低碳经济,实现可持续发展成为未来的发展趋势。


根据《十四五”规划和2035年远景目标纲要》的要求到2035年,广泛形成绿色生产生活方式,碳排放达峰后稳中有降,生态环境根本好转,美丽中国建设目标基本实现。国土空间开发保护格局得到优化,生产生活方式绿色转型成效显著,能源资源配置更加合理、利用效率大幅提高,单位国内生产总值能源消耗和二氧化碳排放分别降低13.5%、18%,主要污染物排放总量持续减少,森林覆盖率提高到24.1%,生态环境持续改善,生态安全屏障更加牢固,城乡人居环境明显改善。

汽车的生产和使用是碳排放大户,根据《2030年前碳达峰行动方案》,重点实施能源绿色低碳转型行动、节能降碳增效行动、工业领域碳达峰行动、城乡建设碳达峰行动、交通运输绿色低碳行动、循环经济助力降碳行动、绿色低碳科技创新行动、碳汇能力巩固提升行动、绿色低碳全民行动、各地区梯次有序碳达峰行动等“碳达峰十大行动”,并就开展国际合作和加强政策保障作出相应部署。

近几年,随着石油、钢铁等不可再生资源的加速消耗,使得资源开发变得越来越紧张,按照当前的开采及损耗量,石油及钢材能源只能维持30-50年左右,因此开发出替代性材料就显得尤为重要。

随着人类社会的不断向前发展,人们对环保意识的增强,加上能源危机日趋严重,实现汽车轻量化以达到节能环保的诉求越来越高,优化车身结构设计、应用新型轻质材料等成为轻量化研究工作的主要目标。汽车材料是决定汽车好坏的重要元素,汽车材料的不断更新换代是提高汽车质量的保障,实现汽车轻量化的主要途径之一是新材料的应用。玄武岩纤维属于无机纤维,是采用天然玄武岩矿石经高温熔融拉制而成,是我国重点发展的4大纤维之一。美国德州的CBF工业联盟指出:玄武岩纤维是碳纤维的廉价替代品,具有一系列优异性能,最为可取的是因为它取自天然矿石而无任何添加剂,是目前为止唯一的无环境污染的不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品。玄武岩纤维在强度、耐高温、耐腐蚀、隔热、隔音等方面性能优越,是节能环保的新材料。

#玄武岩纤维的优异特性


1.1 力学性能


玄武岩纤维的密度为2.5 ~2.7g/em ,拉伸强度为 3000—3500 MPa,弹性模量为 10 0 ~150 GPa, 断 裂 伸 长 为 3.2% ,莫 氏 硬 度 为 6.5~7.5。因此它具有优异的耐磨、抗拉增强性能。


1.2 吸音性能


玄武岩纤维具有优异的吸声性能 ,将其制品在不同音频下的吸音系数进行实验得出,随着频率的增加,它的吸声系数显著增加 。


1.3 高热稳定性


玄武岩纤维及其制品可以在 600°C条件下使用,而玻璃纤维在相同条件下的使用温度一般不超过400°C。采用无机粘合剂制造的玄武岩纤维隔热材料可以在700°C条件下使用。此外,玄武岩矿石的成分比例的调整能够制成可在 800°C下工作的耐高温材料。玄武岩纤维制成的过滤器可以在 400~650°C温度区间内对压力为 234—254kg/rI1Hl的空气进行过滤。


1.4 化学稳定性和耐腐蚀性


玄武岩纤维中含有KO 、MgO和TiO等成分,而这些成分对纤维的耐化学腐蚀及防水性能起相当重要的作用。 玄武岩纤维与玻璃纤维的化学稳定性相比更显优势 ,特别是在碱性和酸性介质中更加明显。


1.5 绿色环保性


玄武岩矿石在熔化过程中不产生硼和其它碱金属氧化物等有害气体 ,因此其制造过程对环境没有污染,且玄武岩纤维能够自动降解成为土壤的母质,克服了传统材料在废弃过程中需消耗大量的能源和污染环境等缺点。


#玄武岩纤维在汽车上的应用


2.1 汽车用摩擦增强材料


增强纤维是汽车摩擦材料的一个重要组成部分,纤维的选用对摩擦材料的磨损性能有着重要影响。目前汽车用摩擦增强材料主要有钢纤 维、矿物纤维、玻璃纤维、有机纤维及耐高温聚合物纤维等。但是其使用都或多或少的存在一些问题,如石棉粉尘严重污染环境,有致癌作用,直接危害人类健康,现在已被限制使用 ;钢纤维容易锈蚀,易粘着或损伤对偶材料,使用时容易产生低频噪音;而玻璃纤维材料的磨损大涉水性不良,噪声高;碳纤维生产的增强材料性能优异,但是其生产成本过高,不利于广泛推广;其他的纤维增强材料,有的浸润性不佳,有的制造工艺复杂。


玄武岩纤维不仅强度高、热稳定性好、不易损伤对偶、磨损低、摩擦系数稳定,而且价格适宜。玄武岩纤维的材料密度适中,其拉伸强度与玻璃纤维相当,且玄武岩纤维增强摩擦材料的耐磨性高石棉纤维、钢纤维和玻璃纤维。通过对玄武岩短切纤维增强制动片的性能检测,认为其具有高温摩擦系数稳定、热衰退小和制动噪音低等特点,适合作为摩擦材料的主增强材料。该材料有利于解决传统汽车制动器出现的“热衰退”现象 ,进而减少交通事故的产生。西班牙 GALFER公司已成功开发以玄武岩纤维作为主增强纤维来生产的 1052系列摩托车刹车片。因此,玄武岩纤维应用于摩擦增强材料既有利于增加汽车摩擦材料的寿命,提高摩擦材料的使用温度,又能解决当前摩擦材料的存在的各种不利因素。采用玄武岩纤维制成的耐高温结构复合材料,用于汽车制动器 、离合器等磨擦增强材料 ,既为汽车的高速化发展助力,又有利于提升汽车的安全性能,其开发具有广阔的市场前景。



2.2 汽车用高温过滤材料


汽车用高温过滤材料目前汽车用过滤材料主要使用的纤维有粘胶纤维、聚酯纤维,以及聚烯烃纤维,主要用于发动机进气过滤和车仓空气过滤还有汽车尾气净化过滤。但是这些纤维存在着耐热效果不好,尤其是尾气过滤中,使用寿命不长。其中聚酯纤维和聚烯烃纤维,再生的高性能的纤维成为当前的重点。


玄武岩纤维的力学性能远远超过于聚酯纤维和聚烯烃纤维,且其耐酸碱性能远远超过这两种纤维,使用玄武岩纤维制成的过滤材料具有耐破度高,抗张强度好,性价比高,能完全降解以及优良过滤性能,是未来高温过滤材料的首推材料,玄武岩纤维汽车过滤材料能够在高温条件下将汽车尾气中的固体粒子过滤分离开来,降低汽车尾气对城市污染,且其过滤材料具有在高温条件下长时间使用,而性能保持稳定的优点。俄罗斯与乌克兰用连续玄武岩纤维制成的过滤布在 900摄氏度的高温下,连续玄武岩纤维的质量损耗仅为 12%。玄武岩纤维汽车用过滤材料的应用,符合新世纪环保的要求 ,也有利于满足人们追求高性能汽车的要求。


2.3 汽车内饰材料


汽车内饰材料主要有皮质内饰、金属内饰、塑料内饰 、纺织品内饰等等。其应用范围主要包括汽车内部的顶棚、门衬板、地毡、座椅、安全带等大约四十多个部件。要求内饰材料必须具有高刚度 、轻量 化、阻燃、低成本,且不污染环境。目前应用较多的内饰材料普遍存在强度不够,受热易挥发对人体有害的气体,以及减振、隔热、吸音性能较差,特别是材料的声阻性能和降低噪音性能低于行业所要求的水平,因此开发新型的具有遇热不挥发有害气体,且耐热、吸音、机械性能高的材料具有十分重要的意义。


与内饰材料中使用较为广泛的玻璃纤维相比,玄武岩纤维的吸音及耐热性能远大于玻璃纤维。


玄武岩纤维因原料易得、成本较低和综合性能优异、生产无三废等优点而逐渐受到人们青睐,对制备玄武岩纤维的耐高温耐板、池窑结构、拉丝装置和加热熔化、拉丝方法仍有待进一步改善,以求在成本低、结构简单的基础上制得更细、更优良的玄武岩纤维,对于新能源汽车行业的发展无疑是一个利好消息。


 
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