提高性能,降低成本

访杜邦高性能聚合物大中国区汽车市场开发经理彭若明先生

作者:文/本刊记者 孙 洁 文章来源:AP《汽车塑化》2013年第3期 发布时间:2013-08-27
伴随汽车发动机小型化的发展趋势,发动机周边零部件的性能要求日益提高.

杜邦高性能聚合物大中国区汽车市场开发经理 彭若明先生

伴随汽车发动机小型化的发展趋势,发动机周边零部件的性能要求日益提高。与此同时,竞争导致汽车行业降低成本的需求更加迫切。如何在提高性能的同时降低成本,这对材料供应商提出了更高的要求……

AI:彭总,您好!作为杜邦高性能聚合物大中国区汽车市场开发经理,您对中国汽车行业以塑代钢的轻量化发展进程有何评价?

彭若明先生:轻量化我们已经讲了很多年,但实际上,每一年轻量化的概念都是不一样的。

总体上讲,最初,轻量化的目标主要是汽车装饰部件,约在十几年前,发动机相关零部件开始成为轻量化的热点和难点。经过十几年的发展,目前发动机相关零部件以塑代钢的应用已基本成熟,广为用户所接受,那么下一步取代金属的轻量化将主要集中在汽车底盘和车身上,这也是汽车真正意义上的轻量化应用。

具体就发动机相关零部件的以塑代钢轻量化应用而言,每一年的概念也在发生变化。比如,十多年前以塑代钢的热点和难点主要是发动机进气歧管,记得在2005年杜邦中国研发中心刚刚建成的时候,国内汽车进气歧管的塑料化比重只有大约20%~30%。当时我们针对这项应用做了大量的应用开发工作,由于存在认识、观念以及技术储备等多方面的问题,早期的应用推广也比较艰难。到目前,国内汽车进气歧管的塑料化比重已经达到70%~80%,而且大多数应用都是与杜邦合作的。随着进气歧管塑料化应用的逐渐成熟,5年前国内汽车行业以塑代钢的热点开始转向气门室罩盖,3年前则是发动机油底壳,现在主要是涡轮增压发动机的中冷器端盖和进气管等。在此过程中,不仅轻量化的应用对象在悄然地发生变化,而且就某一特定应用而言,所用的材料技术也在发生变化。以进气歧管为例,最早使用的是金属,然后是热固性塑料,现在则几乎全部为热塑性塑料所取代。而在热塑性塑料中,随着材料技术和加工技术的不断进步,所用材料也出现了从尼龙66向尼龙6的逐步转变,比如,在耐高温性要求不很高,同时要求具有良好耐爆破压力以适应焊接加工的情况下,尼龙6(熔点温度230℃)相比尼龙66具有更好的性价比优势。当然,在发动机温度很高的情况下,尼龙66是首选材料,它的熔点可以达到260℃,但焊接性能不如尼龙6。因此,杜邦专门开发了特殊规格的尼龙66,以改善其焊接性能。

总而言之,随着材料技术的不断进步,以塑代钢的轻量化应用也在不断发展成熟。

AI:针对发动机周边零部件的应用,材料技术需要在哪些方面进一步实现突破?

彭若明先生:伴随着汽车轻量化、紧凑化的发展趋势,汽车发动机也日益向小型化方向发展,以提高燃油效率并降低CO2排放。其结果是:发动机盖下及周边的环境温度越来越高,同时,紧凑的设计也导致发动机相关零部件的形状和尺寸需要灵活改变。除高温外,发动机周边零部件还时常暴露在诸如热油、冷却剂和融雪剂等各种化学品的苛刻环境中,有些还要遭受行驶过程中的石子冲击。因此,针对发动机周边的相关应用,要求材料供应商要不断提高材料的耐高温、耐化学腐蚀性,以及材料的强度和刚性,同时,还要确保材料良好的流动性,以提高设计自由度和成型效率,满足各种形状零部件的成型要求。

由Zytel PLUS制成的增压空气冷却器

AI:根据这些要求,目前开发的材料在耐温性、耐化学腐蚀性以及抗冲击性等方面达到了怎样的水平?

彭若明先生:随着技术的不断进步,目前用于发动机相关零部件的材料已具备了更可靠的长久综合性能。以杜邦 Zytel PLUS尼龙系列和杜邦 Zytel HTN92系列PPA树脂为例,由于采用了杜邦独有的SHIELD技术开发而出,包括:全新的聚合物基体、聚合物改性技术以及一系列特别的添加剂,因而从多个方面提升了材料性能,使得这些新产品系列能得到长期性保护,可以耐受温度高达230℃的热空气、石子冲击以及热油、道路用盐和冷却剂等化学品的影响,不会因为长期暴露在高温和化学品中而性能受到影响。不管是在热空气中进行老化,还是在150℃的热油中暴露更长的时间,反复测试证明,它们的拉伸强度和刚性均优于目前市场上现有的尼龙产品,至少可以将零部件的使用寿命延长一倍。同时,这些材料还具有很高的流动性,可以实现良好的填充效果并提高生产效率。

比如,经过特殊改性设计的杜邦 Zytel PLS 95G40DH1T尼龙的抗石子冲击性能和油老化性能可以与铝相媲美。其性能优于目前市场上常规的尼龙产品,用它生产的排气消音器或油底壳等零部件能抵抗道路石子和碎片的冲击,同时保持重要的密封性能。该材料暴露在150℃的热油中长达5000h,性能几乎不下降,因而也非常适合其他接触热油的应用,如:变速箱油底壳、燃油过滤模块、凸轮轴罩盖以及变速箱的其他相关部件。

而同样采用SHIELD技术得到强化的Zytel HTN92系列PPA,其性能比脂肪族聚酰胺又提升了一大步,包括:具有极高的耐氯化钙腐蚀性能;在更高的使用温度下,比脂肪族聚酰胺和PPS能更好地保持良好的刚性和抗蠕变性;峰值使用温度比PPS更高,能更好地应对发动机周边的高温环境;延展性比PPS更好,因而零部件不易变脆。将该系列材料与标准规格的PPA放在230℃的热空气中老化1000h后,其强度是标准PPA的两倍,比PPS树脂高出了20%~25%。用该材料制成的零部件,在230℃下的耐高温、耐化学品和耐水解性能保持稳定,而且可以长期暴露在210℃的高温环境中。

AI:基于这些优良的性能,这些材料通常可以满足哪些零部件的应用要求?

彭若明先生:总体而言,对于汽车发动机尤其是目前常见的涡轮增压发动机零部件,新的杜邦 Zytel PLUS尼龙和Zytel HTN92系列PPA聚合物都是理想的材料,如中冷器、排气消音器、涡轮增压进气管、发动机架、谐振器、凸轮轴罩盖、油底壳、EGR冷却器、燃油模块、恒温器外壳、变速箱组件以及散热器末端水箱等。事实证明,客户通过使用这些材料来取代金属或者性能不能满足要求的塑料材料以及价格过于昂贵的特种聚合物,不仅确保了这些零部件能够抵抗发动机盖下的高温和化学腐蚀,改善了燃油效率,而且还有效减轻了重量并降低了成本。

比如,对于像EGR冷却器、排气消音器、涡轮增压进气管、谐振器和凸轮轴罩盖这些长时间暴露在热空气中的部件而言,采用新的杜邦 Zytel PLUS尼龙后,即使长时间暴露在210℃的热空气中,仍具有比现有材料更好的强度,使用寿命比常规尼龙延长了一倍。如果将含有50%玻璃纤维的杜邦 Zytel PLUS 95G50规格材料用于中冷器上,可以使该部件在使用上限温度下仍保持高刚性。

Zytel LCPA长碳链尼龙制成的燃油管路

相比之下,新的杜邦 Zytel PLS?95G40DH1T要比其他杜邦 Zytel PLUS尼龙更适合于热油环境中的部件,如:油底壳、变速箱油底壳、燃油过滤模块、气门室罩盖和变速箱等。该材料在150℃的热油中暴露5000h后,性能几乎不变。该系列其他规格的材料,即使在热油中暴露3000h,其抗冲击性仍然优异,而常规尼龙的性能则会下降50%。

在耐水解应用方面,杜邦 Zytel PLUS 90G30DR尼龙则是最佳的选择。用其制成的散热器末端水箱和恒温器壳体暴露在热水或耐用型冷却液中,主要机械性能仍保持稳定,而常规尼龙的性能通常会降低50%。

AI:对于客户而言,除了材料的性能外,成本因素也是他们非常看重的,对于这一问题,贵公司是如何解决的?

彭若明先生:对于杜邦而言,我们不只是卖材料给客户,而是向客户提供完整的解决方案。更确切地说,就是帮助客户从产品的设计到材料及成型方法的选用,直到产品的最终成型和检验,确保以最低的成本、最短的时间生产出性能最好、质量最高的零部件。为此,杜邦中国研发中心专门设立了一个汽车中心,可以提供这样的一条龙服务。比如,我们可以通过模拟分析来帮助客户优化结构设计,寻求最佳的开模方案和加工方案,从而尽可能降低模具和加工成本。目前,我们的汽车中心又增加了零部件性能测试服务,这项服务的推出,不仅帮助客户极大地降低了零部件的检测成本,而且解决了他们在评估塑料零部件性能好坏方面经验不足的问题,很好地适应了中国特殊的市场要求。

需要强调的是,在降低成本方面,材料的选用至关重要,这就是为什么我们总是要花费很多的时间来详细了解客户的实际应用情况,以帮助他们尽可能地选用性能好同时成本又低的材料。比如,对于燃油管、冷却液管、刹车助力管、离合器导管和散热器末端水箱之类的应用,杜邦 Zytel长碳链尼龙(LCPA)就是一种很好的低成本材料解决方案。与以往常用的PA11和PA12相比,该系列材料不仅提供了卓越的耐化学性和耐水解性,以及较高的耐热性和低渗透性,而且成本与PA11和PA12比较非常具有竞争力。值得一提的是,杜邦 Zytel长碳链尼龙中的Zytel RS产品系列还是一种可再生资源材料,其原料来自非食品竞争类植物蓖麻籽。

总之,通过上述方式,我们能够帮助客户将每一个环节的成本降下来,从而以最佳的方案生产出成本低、综合性能好的产品。通过这样的方式,我们帮助客户加速了新产品的开发进程,从而能够以比竞争对手更快的速度将新产品推向市场。

AI:不同发动机周边零部件,对于性能的要求完全不同,即使是同一零部件,不同客户的要求也是千差万别。因此,要确保满足每一位客户的每一个具体应用要求,对于材料供应商而言并不容易,贵公司是如何做到的?

彭若明先生:作为尼龙材料的发明者以及高性能聚合物材料的全球领先者,杜邦高性能聚合物业务部门的产品种类繁多,仅针对发动机周边应用,就已推出了多个系列、多种牌号的产品,完全能够适应客户的需求提供柔性化的材料解决方案。比如,我们的Zytel长碳链尼龙,就包含了分别基于PA1010、PA610和PA612的6种规格的材料,它们涵盖了非常宽广的刚性、韧性、耐油性、耐热性和气体渗透性等性能参数。这些尼龙产品还包括玻纤增强的高刚性和高强度牌号,而且可以全部或部分衍生自可再生资源。其中,新的基于PA610的Zytel RS LC4000系列和基于PA612的Zytel LC7000系列的性能比现有的Zytel LCPA产品有了显著提升,能更好地满足燃油管和气刹管的应用要求,目前已实现了商业化应用。

此外,杜邦 Zytel PLUS尼龙也包含了多种不同规格的材料,杜邦 Zytel HTN92 PPA树脂则含有2个系列的产品,它们的性能各有千秋,能分别适应不同的应用要求。比如,杜邦 Zytel PLUS 90G30尼龙对发动机冷却液的耐受性极强,与水接触时的性能表现优异;而杜邦 Zytel PLUS 93G35尼龙长时间暴露在热环境中的性能良好,并具有较好的熔接线强度和爆破性能。

总之,我们种类繁多的产品完全可以满足客户多样化的应用需求。同时,杜邦中国研发中心还可以借助杜邦全球研发力量,与客户一起订制最适合他们的材料。

AI:刚才谈到的主要是满足传统的燃油发动机应用需求的材料,对于电动汽车等新能源车的动力系统,贵公司是否也有相应的材料解决方案?

彭若明先生:是的。电动汽车等新能源车的动力系统对材料的要求完全不同于燃油发动机,所有与电接触的塑料部件,通常要求具有良好的耐高压(CTI)性能。目前,杜邦已推出了一些适应新能源汽车要求的材料,如,新一代电子电器友好型芳香族尼龙(HTN EF系列)可应用于新能源汽车电动机;耐水解性能优良的PBT材料可用于高电压连接系统等,而且已有了很好的商业化应用,如丰田的Prius电动汽车。

AI:贵公司为汽车行业提供材料解决方案的理念是什么?

彭若明先生:这可以用一句话来概括:为汽车客户提供一站式解决方案,具体就是:集中力量,加强合作,统筹问题并予以解决,目标是提供创新材料和专业的应用开发,降低重量和系统成本,增强最终产品的性能,减少对石化燃料的依赖,增强可持续发展能力。

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