UHMWPE非织造材料在汽车安全性的应用-安徽工程大学机电学院《非织造学》课程论文

显示全部楼层 · 发表于 2012-8-18 08:41

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UHMWPE非织造材料在汽车安全性能的应用

摘要

全球经济不断向前发展，人类对于汽车的需求也在不断增长，汽车工业是非织造材料的一个具有巨大潜力的市场，汽车未来的发展方向是安全、舒适、快捷。在提高速度的同时，人们对汽车安全性能的要求在不断提高，超高分子量聚乙烯纤维由于其优越性已经被广泛用于军事领域的防弹材料中，各国也在发展技术克服它的不足，可以断定如果将超高分子量聚乙烯纤维利用非织造技术应用于汽车的车身，既能减轻其汽车上身，增加了汽车下盘的相对重量，从而提高了汽车速度，增加了车身稳定性，同时提高汽车自身的耐撞击能力，进而提高了汽车的安全性能。。

关键词

超高分子量聚乙烯纤维、主动安全性、被动安全性、

Abstract：With the world economy forward development, humanfor vehicle demand is also increasing, the car industry is one of the fibermaterial has a huge potential market, the future direction of the car is safe,comfortable, quickly. In the speed at the same time, the people to therequirements of automotive safety performance is rising, ultra high molecularweight polyethylene fiber because of its advantages has been widely used inmilitary field bulletproof material, the various countries also developmenttechnology overcome it is insufficient, can conclude that if the ultra highmolecular weight polyethylene fiber application in automobile body, can notonly reduce the car up the body, increase the relative weight of car footwall,so as to increase the bus speed, increased the body stability, and at the sametime, improve their ability to hit the car resistance and improve the safetyperformance of the car. .

引言

传统钢制汽车车身材料的防护水平基本满足使用要求，然而，重量、刚性严重降低了汽车的速度和安全性能。在交通意外中，由于钢材料自身刚性，车体严重的扭曲变形，严重威胁到人员的生命安全。高性能UHMWPE材料广泛应用用于各国军事领域，采用芳纶织物制成的软质防弹背心取得了革命性的突破.。如果将UHMWPE纤维应用与汽车外壳，将软质防弹复合材料应在汽车外壳夹层，将会革命性提高汽车的抗碰撞性能。与芳纶相比，UHMWPE材料具有更高的强度、模量、比强度、比模量及声波传递速度，这几个因素均与纤维的防弹性能密切相关.。

超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)也称UHMWPE纤维，是继碳纤维、Kevlar纤维之后的第三代高性能纤维。UHMWPE材料具有低密度、高比模量、高比强度、良好的能量吸收性能等优点，UHMWPE材料出现后打破了芳纶纤维在传统防弹材料领域的垄断地位。

汽车的安全系统

汽车的安全性主要分为两大类：汽车的安全系统主动安全系统和被动安全系统。主动安全性，俗称积极安全性，之所以称为主动安全，其意思就是在车辆有撞击危险之前可以起到防范于未然的系统。其目的是提高汽车行驶的稳定性，减少操控的偏差。主动安全系统主要包括以下几方面，首先是车辆的制动装置，其次是在制动装置上加装的安全装置，它们分別是防抱死制动系统（俗称ABS）、电子制动力分配系统（俗称EBD）再有就是在车辆行驶中的稳定车辆的安全系统，它们是牵引力控制系统（俗称TRC）,电子稳定装置（俗称ESP），车辆稳定控制系统（俗称VSC）。车辆的安全性能第二类就是车辆的被动安全，之所以称之为別动安全，其意思就是在无法避免撞击事故的情况，只有依靠车辆本身在接受撞击时的保护，也就是听天由命的安全保护称之为被动安全。被动安全系统，首先是车辆的钢板，车身结构，安全带，安全气囊，头枕，可溃缩的方向盘及制动踏板等。

被动安全系统强度的破损有三类，即因一次超负荷损坏造成的破坏；多次小负荷反复进行引起金属疲劳造成的断裂，还有其他原因引起的金属疲劳等；汽车本身在长时间使用，磨损，生锈和随著时间的变化而出现变化不能发挥其功能。汽车的部件强度都是根据这种疲劳限界的原理设计的，但是因使用的方式方法不同有时候也很难始终的保持疲劳界限以下，这时候选用厚钢板就要比薄钢板要好一些。汽车强度的降低还和腐蚀有关，水和盐分的聚集是引发生锈的主要原因，汽车在某些恶劣的环境中使用，比如在湿度大的地区，山区和沿海地带。在雨水多的地区，车辆的底盘和车门的边缘漆面脱落的地方容易锈蚀，在北方特別是经常降雪的地区，在路面上撒盐或是氯化钙等融雪剂，长期的使用也会使车辆严重锈蚀，此时车身钢板厚的优点就要凸显出来了。欧美系轿车，他们侧重车辆的安全性，稳定性和通过性，那么车身的钢板厚度就高，同时车辆的自重加大燃油性就降低了，加大了油耗再如日韩系轿车，他们在车辆设计的时候则侧重车辆的经济性，灵巧性，那车身的钢板就薄，同时自发生碰撞时安全性就降低了。

现在出现了一种新型材料它就是泡沫金属。泡沫金属主要是泡沫铝合金，它通过粉末合金制成，通常粉末合金是用粉末压制成型或是用金属沫及塑料的混合物注射磨制成型。由于泡沫铝合金密度很小当承受很大的外力而变形压缩後当外力散去凭著它自身的弹性可以恢复到原来的形状，一旦发生碰撞时既可最大程度的保护自己，同时又可最大限度的保护了他人。由此可見在车身易受到碰撞的部位采用泡沫金属是一种很好的选择。

UHMWPE纤维增强复合材料的准静态力学分析

UHMWPE纤维增强复合材料的轴向压缩性能较低，即使处理后的sK66／环氧复合材料的轴向压缩强度也只有54．4MPa(sK66是UHMWPE纤维的商品名)。试样受压缩达70％极限荷载时开始产生塑性形变，并逐渐增大，出现剪切破坏，直至试样失效，但并不断开。这类材料压缩破坏的主要机理是UHMWPE纤维受压失稳弯折界面脱粘。此外，UHMWPE纤维增强复合材料的弯曲性能也很低，如处理后的SK66／环氧复合材料的弯曲强度最高只有150MPa，约为拉伸强度的1／7。在弯矩作用下，受压部分的承载超过SK66纤维的压缩强度时，纤维失稳，从而导致分层；受拉部分由于纤维与树脂的脱粘产生分层。逐层失效，最后韧性弯曲破坏。受弯分层是这类材料主要弯曲破坏机理。LDPE基体较环氧基体有更高的断裂韧性，因而能吸收更多的能量。LDPE基体在弯曲荷载达到临界值时，裂缝顶端钝化，在裂缝附近受剪部位，纤维脱粘而发白。若采用单向UHMWPE纤维增强树脂，试样中纤维垂直于缺口方向会出现裂缝增长；采用I胁UHMWPE纤维正交编织布增强树脂，试样的缺口顶端会出现钝化，累积的塑性变形可能引起微观裂纹，成为应力集中点，导致塑性破坏。

UHMWPE纤维增强复合材料的抗击性能研究

UHMWPE纤维增强复合材料的防弹性能研究主要集中在材料的冲击响应和破坏机理方面。美国宾西法尼亚大学的Lee B L和军方研究人员song JW与ward J F发现，正交编织布和无纬片复合材料在子弹冲击过程中．都会出现连续的分层、冲塞和剪切、拉伸破坏并存，其中，冲塞主要是由剪切引起的。另外，当面密度固定且较低时，上述两种形式的纤维层压板防弹能力没有差异；但随着面密度的提高，无纬片层压板表现出更高的防弹能力。这可能是因为正交编织布在编织加工的过程中，纤维的强度会不可避免地损失，而无纬片却能保持纤维的强度；并且元纬片上因为没有结点，可以更有利于传递弹击时产生的冲击波，防止形成剪切冲塞。选用乙烯基酯树脂和聚氨酯作为基体复合材料进行比较，考察了在准静态、低速冲击和弹击冲击几种情况下，纯层叠织物、多层复合与单层复合材料的力学形变和侵彻破坏。他们发现：UHMWPE平纹布上断裂纤维与层压板的数量比，和复合材料的能量吸收比有很好的对应关系。这证实UHMwPE纤维的应变对复合材料能量吸收的作用：少量树脂的加入，可以使复合材料受到冲击时，产生均衡的内部应力，故树脂的性质会影响断裂纤维的数目及复合材料的能量吸收。在全部应变范围内，“较硬”的乙烯基酯基体比“较软”的聚氨酯基体的能量吸收更强。

汽车外壳的制造

高强度钢板的发展与应用跟成型、涂装和焊接等有关技术是密切相关。冲压成型是汽车制造中最主要的成形方式，车身构件、门板、翼子板等等都是通过冲压成型制造出来，有些构件具有相当复杂的形状。例如高强度无间隙固熔IF钢具有极为良好的深冲和拉延能力，用来冲压制造各种复杂形状的汽车冲压件，它内部的铁素体不存在任何间隙固熔的碳和氮原子，这样钢材在冷轧和连续退火后可获得低屈强比和高延伸率，也就是说有极高的“韧性”，不会轻易断裂，能够承受各种模具的冲压变形。涂装是汽车制造过程中的重要工序，包括镀锌钢板。目前中高档轿车白车身一般使用镀锌板，镀锌板能够保证汽车车身使用10年不会腐锈。但是钢厂生产的汽车钢板在轧制过程中的表面粗糙度和清洁度将直接影响到镀锌的锌层附着力。同时，钢板的板厚精度控制也将影响现代化汽车生产线的工作准确性，因为现代化的汽车生产线是用机器人点焊，板厚误差大将导致虚焊。所以，现代化的汽车制造对钢板的要求是十分严格的，例如对宽1.5米长3000米的厚0.8毫米钢板，厚度公差不能超出20微米。

利用非织造技术将UHMWPE材料应用到汽车外壳材料，UHMWPE具有更高的主链结合强度。再加上其高度结晶取向，使纤维具有很高的强度和模量。UHMWPE材料是目前高性能纤维中比强度最高的纤维，比芳纶高35％，比碳纤维高50％；其比模量也很高(仅低于碳纤维，高于其他纤维)的纤维，是芳纶的2．5倍，而且由于该纤维有常规准静态条件下较高的模量，能造成高的声速传播，从而使得它在防护子弹冲击时的能量吸收和应力波传递优于其它材料。UHMWPE非织造材料是目前公认耐冲击最好的材料。BH钢板是在低强度的条件下，经过冲压成形之后，进行烤漆加工热处理，以提高其抗拉强度。以往生产的强度在440MPa的钢板，低碳钢在采用这种加工技术以后强度可增加到500MPa。原来用厚度1毫米钢板做侧面板，用高强度钢板只需厚度0.8毫米。采用了大气等离子体干法纤维在线处理工艺，可以很好地解决了聚乙烯树脂与树脂的粘结问题，复合材料的层间剪切强度提高了一倍以上。UHMWPE材料的表面呈化学惰性，耐化学试剂强于芳纶，具有较强的耐酸、耐碱及多种化学试剂，水对它的强度几乎没有影响。耐光性也很好，在紫外线照射1500h后强度保持率为90％，耐磨性、耐弯曲性在各类高性能纤维中也是最高的。目前在汽车生产中，使用得最多的是普通低碳钢板。低碳钢板具有很好的塑性加工性能，强度和刚度也能满足汽车车身的要求，同时能满足车身拼焊的要求，如果采用UHMWPE非织造材料辅助兵替代泡沫合金，可以有效地提高汽车车身的抗冲击性能，防止在行驶中由于路面的砂石飞溅碰撞产生凹痕，延长了汽车的使用寿命。。

UHMWPE材料的成型方法

模压成型法塑料成型技术中最早使用的方法是模压成型，已有100多年了。以前，由于UHMWPE分子量极高，熔体粘度大，流动速率低，成型加工困难，因此只能用模压法生产。目前，模压加工UHMWPE制品在世界发达国家中占所有成型方法的80％以上，我国占90％以上，随着对UHM—WPE研究的深入、成型设备的改进和性能的提高，逐步开发出多种成型方法。模压法中最典型方法是压制一烧结法。该方法是将一定量的UHMWPE原料加入模具中，将模具与原料同时加热，当加热到一定温度并且保温一段时间后，再加压，冷却成型，得到制品的一种成型方法。该方法适合于中、小型UHMWPE制品的批量生产。这种方法的优点是：① 所用设备和模具结构简单，造价低，有利于小批量生产；② 可以控制制品的表面粗糙度，生产很光滑的制品；③可以根据需要生产不同填料和添加剂的产品。缺点是生产单个制品所花时间长，效率低，劳动强度大，不能实现自动化生产等。

挤出成型法挤出成型又称挤压模塑或挤塑，既借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热熔化的塑料在压力推动下，强行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法。由于UHMWPE独特的熔体特性，挤出成型必须具备

一定的条件。其一是对UHMWPE进行改性，达到不降低其分子量而改善其熔体流动性，使其利于成型。其二是要有专用的挤出机。60年代大都采用柱塞式挤出机，其优点是结构简单，挤出压力大。采用柱塞式挤出成型可以看成是连续化的压制一烧结成型。其过程是：通过料斗加入原料，在柱塞的压力作用下，物料移动到加热的型腔中，受热熔融，挤出成型实现制品的半连续生产。使用柱塞式挤出机生产UHMWPE制品的生产效率较低，也不宜成型较大制品，在实际应用中受到一定限制。70年代后，欧、美、日本多采用螺杆式挤出机生产UH—MWPE制品，这种挤出机的特点是螺杆的压缩比小，两螺杆同向旋转，螺槽深度大，螺杆供料处要开槽，强迫供料，使物料顺利输送，挤出温度一般在180～200 oC左右，螺杆转速一般为10～15 r／min… 。

注射成型国外早在20世纪70年代后期，就开发出UHMWPE的注射成型技术。日本三井石油化学公司于1976年实现了商业化生产。日本三井公司研制成功的SIM一4749A型注射机，具有高速、高压注射系统和先进的控制系统，其注射压力高达290 MPa。德国Battenfeld公司的高速、高压注射系统，其注射压力达220MPa，上述设备虽然能注射小型制品，但是有设备价格昂贵，主机功率大，能耗高等缺点 10]。1985年美国Hoechst公司也实现了UHMWPE的螺杆式注塑成型工艺” 。北京塑料研究所1983年对国产xS—zY一125A型注射机进行了改造，成功地注射出啤酒罐装生产线用UHMWPE托轮、水泵用轴套，1985年又成功地注射出医用人工关节等。20世纪9O年代初，该所又进行了UHM—WPE高压、高速注射成型方面的研究。注射成型可以成型除了很长的管、棒、板等型材外，可以成型其他各种形状、尺寸的制品。其特点是生产周期快、适应性强、生产效率高和易于自动化生产等，但目前成型受UHMWPE相对分子量限制，很难成型分子量很高的制品。

吹塑成型 UHMWPE的吹塑成型主要用于大型中空制品，可以制成高强度制品，如汽车的油箱、筒类等。UHMWPE由于分子量大，熔体强度高，制品的耐自重下垂性好，为中空成型，尤其是大型容器的吹塑成型创造了有利条件。UHMWPE的吹塑成型不能采用普通聚乙烯的吹塑成型机。经过改进的中空容器吹塑机采用低压比的螺杆、开槽料筒、铸铝加热器和水冷夹套等特殊工艺，可以较好实现吹塑成型。以摩擦学应用为目的的UHMwPE材料加工技术

存在的不足及改进措施

其优越的物理化学优异性能、材质，满足汽车制造业追求轻量化的要求，在低碳钢板的基础上采用强化方法得到的，抗拉强度得到大幅增强。利用高强度特性，可以在厚度减薄的情况下依然保持汽车车身的机械性能要求，从而减轻了汽车重量。然而，UHMWPE非织造材料在汽车工业存在以下不足：高结晶度和高取向度，大分子截面积小，非极性性质使它难于润湿，不与基体发生化学反应而不产生交联，界面效果差，熔点低，高温下使用时强度降低、蠕变性明显增大。界面性能差，由于UHMWPE 分子链的惰性和非极性，纤维与机体之间的界面粘度强度低，影响了UHMWPE 复合材料的力学性能，尤其是层间剪切、横向拉伸和断裂韧性等性能，限制了它在结构材料的应用。常常需要对其进行改性或表面处理，以改善其界面性能。但是，表面改性会对UHMWPE的强度有影响，采用时应慎重考虑。在现阶段的研究中，常使用的表面处理方法有：液态氧化法、等离子体处理法、辐射接枝处理法、电晕放电处理法、光氧化表面处理法、光致交联处理法等，有时采用几种方法复合使用，效果更佳。上海华东理工大学的洛玉祥等人在UHMWPE的表面处理上做了不少研究。

市场前景

目前，UHMWPE纤维在国内主要是防弹材料的需求。起步于公安、武警、保安等市场，全国警察、保安、武警等每年实际采购的数量约为200吨／年左右，并每年以25％左右递增。高档汽车工业领域，迫切需求UHMWPE非织造材料。专家估计，包含其它民用方面(如各种大型公共场所、体育场馆、民航设施、高档汽车等)对超高分子量聚乙烯纤维无纬布防弹材料的需求，今后正常年份仅中国国内就将达到5000吨以上的市场需求量。我国的UHMWPE纤维材料与国外产品存在较大的差距。究其根本原因是国内企业在纤维展丝、连续化生产等关键技术方面仍未突破。此外，国内企业对材料冲击性能、环境适应性等方面的研究不够深入，没有形成完整的数据参数，在材料的防弹机理、老化性能等方面没有形成系统理论，在实际应用中无法提供准确、详细的技术支撑，只能凭借以往的经验判断。总之，地区冲突不断、暴力事件层出使个体防护材料的研制和开发得到了快速发展，同时也为我国特种防护材料的发展带来了巨大契机。

超高分子量聚乙烯纤维无纬布材料的国产化在中国国内刚刚启动，其总体供应能力为每年1000吨左右，只占世界同类产品总产量4000吨的25％左右，远远不能满足全球市场需求。据统计，目前所有中国国内生产的UHMWPE纤维材料80％左右的产量实际都为出口市场服务，国内市场上每年还需要进口约200吨左右的芳纶纤维防弹材料来满足需求。所以，国产超高分子量聚乙烯纤维供应缺口仍然很大，替代进口芳纶纤维防弹材料的市场空间更大，汽车应用前景辽阔。

结束语

超高分子量聚乙烯纤维防弹无纬布材料的国际市场前景广阔。特别是随着我国经济健康快速地发展，不断增长的国内汽车工业的非织造材料市场，军警装备采购市场，将十分诱人。目前，中国已逐渐成为此类产品全球加工供应中心之一。这个市场格局趋势的日益形成，对从事国内此类产品的生产供应型企业来说，可能会在今后的全球供应市场上抢先占有一席之地，历史机遇十分难得。

主要参考文献

1、《高性能纤维防弹材料的基本种类、结构及其防弹性能》

作者:王波期刊：《轻纺工业与技术》2010 39（4）

2、《超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的研究》

作者:梁子青周庆邱冠雄王涛期刊：《天津工业大学学报》2003 22（2）

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作者：郑震施楣梧周国泰期刊：《合成纤维》2002 31（4）

4、《超高分子量聚乙烯在防弹材料上的应用》

作者：王结良梁正国吕生华何洋赵雯陈成泗陈孟群胡开波

期刊：《化工新型材料》2003 31（1）

5、《超高分子量聚乙烯纤维UD防弹材料市场前景》

作者：赵莉谢雄军期刊:《纤维复合材料》2010 27（3）