高温热塑性塑料用于汽车发动机周边
受“更长的保修期”和“政府新的燃油经济性指令”这两大趋势的推动，高性能/高温热塑性塑料在汽车行业中的用量正在增长。更长的保修期意味着专用于高温应用环境的热塑性塑料部件必须具有更长的使用寿命。随着燃油效率标准的提高，汽车行业通常可能期望将更小的、运行温度更高的发动机装入更轻且因此而更紧凑的发动机舱中。这一紧凑的空间意味着许多发动机罩下部件将更加靠近发动机。因此，当汽车制造商采用更轻的增强热塑性塑料取代金属制造部件时，需要采用效果显著的部件设计。过去，被用于发动机罩下多种应用的热塑性塑料部件已经证实了它们在170~190?℃的上限高温环境下的热老化性能，而目前更新的动力系统和更新的应用通常要求部件能够在高于200℃的高温下长期使用，甚至在230℃的最高温度下使用。
因此，汽车OEMs正在寻求在温度提高的环境下能够确保耐化学性和耐油性的复合材料部件，供应商们则通过采用组合了设计、制造和材料创新的技术，而使部件性能达到了前所未有的水平。
图1 作为耐高温热塑性塑料汽车部件的首个大批量、商业化应用，这款于1990年代被推向市场的空气进气歧管的最高工作温度是170℃。今天的汽车制造商们正在寻求长期性能在190℃及以上温度下能够保持不变的热塑性复合材料（图片来自Asahi Kasei公司）
超级的发动机罩下聚合物
聚酰胺或者尼龙（PA）混配料已成为发动机罩下复合材料对金属替代的“先锋”。生产此类材料的公司正在通过提高PA的高温极限而引领这一进程。例如，巴斯夫曾在2010年的德国K展中推出了新的玻璃纤维填充PA6/6高温树脂系列Ultramid ENDURE。作为该产品线中的第一款产品，Ultramid ENDURE D3G7含有35%的玻璃纤维，被设计可在220℃的高温下连续使用超过3000h，其临界最高使用温度可达240℃。
据说该材料尤其适用于发动机周边的部件，特别是用于涡轮增压发动机的进气（热交换）系统。目前，巴斯夫正在积极推进高温树脂在北美汽车行业中的应用，并于2011年的德国Fakuma展会中推出了新级别的聚酰胺Ultramid ENDURE D3G10。巴斯夫声称，这种50%玻璃纤维填充的PA6/6几乎比Ultramid ENDURE D3G7级别的刚性高50%，其目标应用主要针对中冷器端盖以及进气系统的其他部件。比较该公司已有的PA6/6树脂产品线中的热稳定级别材料，Ultramid是能够在180～190℃下连续使用的树脂级别，并可短时间暴露在230℃的工作环境中。Behr Automotive公司（美国密歇根州Troy）采用50%玻璃纤维填充级别的Ultramid A3W2G10，生产出了首个商业化的用于1.8L涡轮增压柴油发动机上的中冷器端盖，该发动机被用于福特汽车公司的2009款Transit Connect/Tourneo Connect 有篷货车上。
图2 劳士领汽车公司（德国Kelsterbach）采用组合了吹塑和注塑工艺的技术生产出的这款进气管，被用于大众汽车公司2009年生产的装有2L柴油发动机的汽车中。该进气管是采用泰科纳工程聚合物公司（美国肯塔基州Florence）的Fortron 15%玻璃纤维填充PPS吹塑成型而出（图片来自泰科纳工程聚合物公司）
巴斯夫负责汽车动力系统应用的市场部门领导Scott Schlicker介绍说，一家重要的OEM正在一个商业化应用中采用Ultramid ENDURE材料，同时更多的几项应用有望在2013年投入生产。这其中发挥关键作用的是一项稳定技术，它可保护树脂系统以防止表面氧化。“我们确信，Ultramid ENDURE可以与所有用于尼龙6/6的竞争的高温技术相媲美。”Schlicker说，该材料220℃的连续使用温度超过了目前市场中大多数超高温尼龙竞争材料210℃的上限温度。
帝斯曼工程塑料于2008年晚期向电子电气市场新推出了STANYL ForTii尼龙4/6树脂系列，之后又于2010年将该系列材料推向汽车市场。这种30%玻璃纤维填充的半脂肪族聚合物比同等填充级别的帝斯曼尼龙系列产品拥有更高的热变形温度（HDT），Stanyl尼龙4/6的热变形温度是325℃，相比之下，其他的尼龙材料只有295℃。Stanyl ForTii热性能的改善，得益于向C4脂肪链中添加了一种芳基，以及采用了一种独特的玻璃纤维-填料组合填充物。该材料还拥有一个低线性热膨胀系数（CLTE），大约为3.5×10-5mm/mm/℃,相比之下，铝的线性热膨胀系数为2.0×10-5mm/mm/℃。当采用Stanyl ForTii制成的部件与铝部件相连接时，这种尼龙4/6树脂较低的CLTE 值提供了比其他传统尼龙材料制成的部件更好的表面密封特性。帝斯曼Stanyl产品经理Jim Conkey说，这种低CLTE是复合材料均匀膨胀的一种产物。“通常，当向热塑性塑料中加入玻璃纤维时，玻璃纤维的无规取向导致了各向异性的大量形成。”他说，在多数情况下，Stanyl ForTii与铝之间微小的CLTE差异，可通过改变密封表面的几何形状以及使这些部件与采用硅树脂制成的一种动态密封元件相匹配而得到解决。 在汽车应用中，帝斯曼的目标是实现该材料对金属的替代——用该材料生产的部件必须能够承受-40~180℃的使用温度，并可在短时间内承受300℃的极限高温。
图3 Tata Toya公司（印度Pune）生产的3种不同的中冷器被安装到了印度一家重要汽车OEM生产的4款不同汽车上。这些中冷器采用了杜邦工程塑料（美国特拉华州Wilmington）的35%玻璃纤维填充级别的Zytel PLUS材料，满足了部件在180℃高温下连续工作的要求（图片来自杜邦）
目前，Stanyl ForTii的每磅成本大约是铝价格的两倍。但帝斯曼表示，初期的部件再设计项目已经显示出壁厚能够比铸铝件减薄50%，并仍能满足刚性和强度要求。此外，注塑成型部件较大的设计灵活性以及此类部件比铝制部件更少的后加工需求，进一步缩小了成本间的差距。Conkey介绍说，该材料正处在商业化评估阶段，并得到了电子和汽车行业的OEMs以及他们供应商的肯定。目前，该公司正在寻求新的产品开发合作伙伴。
帝斯曼Stanyl尼龙4/6系列产品已有超过25年的商业化历史，但最近该公司却发现，玻璃纤维填充级别的尼龙4/6材料在动力传动系统的耐磨损和摩擦应用中取代诸如PEEK之类的超高温热塑性塑料方面有上升的趋势，这些应用包括：推力轴承、衬套、链条导轨和正时链，这些部件的使用温度通常在150~180℃之间。Conkey介绍说，Stanyl 4/6最强劲的增长表现在传动正时链和导轨链耐磨表面的制造领域，在此应用中，该聚合物材料的高结晶度（70%~80%）提供了出色的润滑和耐磨性。帝斯曼开发了一种自有的有限元分析（FEA）程序，可使客户输入正时链的摩擦载荷参数，并比较不同的替代材料对传动性能的影响情况。“基于严格的燃油经济性标准，甚至每加仑燃油多运行半英里都显得非常重要。”Conkey说。
2010年投入商业化应用的杜邦工程塑料的Zytel PLUS材料主要针对150~210℃的高温应用环境。该聚酰胺产品系列包含了为各种特殊应用而订制的多个级别的材料。这些采用杜邦专利的Shield技术被生产而出的树脂，采用了新的聚合物骨架、聚合物链改性材料以及各种添加剂，从而使其长期耐热老化性、耐发动机润滑油和耐水解性均高于传统的尼龙6和尼龙6/6。杜邦声称，该产品系列中的核心产品是35%玻璃纤维填充的Zytel PLUS尼龙95G35,它在150℃的热老化试验箱中存放4000h后，其拉伸强度和冲击强度丝毫没有受损。
图4 斯堪尼亚汽车公司（瑞典Södertälje）是第一家将一种热塑性塑料的油底壳/机油箱组件集成到一个商用货车产品线上的汽车制造商。该部件由热稳定的35%玻璃纤维填充的Zytel尼龙制成，被安装在斯堪尼亚的13L欧6发动机上（图片来自杜邦）
第一个采用该材料实现商业化应用的产品是用于通用汽车公司2010款Cadillac SGM 车型上的涡轮增压发动机的盖子，该部件必须满足180℃的连续使用温度要求，最高使用温度则要达到200℃。自此以后，该树脂已越来越多地被汽车OEMs用于生产暴露在高温环境下的部件。
最近的一个应用是由印度Tata Toyo公司制造的中冷器。该公司生产的3款中冷器被安装在印度一家重要汽车OEM制造的4款2012车型上。该部件采用的Zytel PLUS级别材料是35%玻璃纤维填充的PA6/6芳香族共聚物，其连续使用温度在150~190℃。杜邦全球发动机冷却技术开发经理Steven Mok说，与其所替代的专用尼龙相比，该材料的性能更好，更易于加工且对成型后处理的需求更少，从而使部件的总体成本得以降低。
2008年，戴姆勒股份公司（德国斯图加特）成为首家在量产汽车上使用热塑性塑料制成的油底壳的汽车制造商。该组件由Zytel HSLRA4尼龙材料制成，并被用于戴姆勒的C级汽车上。最近，斯堪尼亚汽车公司（瑞典Södertälje）成为第一家在商用货车上集成一种热塑性塑料油底壳的汽车制造商。该油底壳/机油箱组件被用在该公司的13L发动机上。这款于2011年春季被推出的发动机满足了欧6排放标准。该油底壳采用35%玻璃纤维增强Zytel HSLX材料制成，这是一种热稳定的具有润滑性的PA6/6，其上限使用温度为150℃。该部件长847mm，宽467mm，深203mm，在整个使用温度范围内可确保其尺寸的稳定性，其最高使用温度为200℃, 这是一种最高的设计标准。出色的尺寸稳定性对于在机油箱和发动机之间为保持持续的紧密封所要求的紧公差配合是非常必要的。位于该机油箱底部的加强肋起到了结构增强的作用，并有助于尺寸的稳定。这一重约6 kg的组件要比以前的铝制件轻50%。杜邦全球油品部门高级开发经理Franz Spitznagel说，为一种在商用货车而非量产乘用轿车上使用的油底壳开发材料配方更具有挑战性，因为货车部件的使用寿命通常要达到轿车部件的10倍。
图5 Bruss北美公司（美国肯塔基州Russell Springs）采用由巴斯夫提供的35%玻璃纤维增强Ultramid尼龙6/6，注塑成型了用于克莱斯勒2011款Pentastar发动机的凸轮轴罩盖（图片来自巴斯夫）
得分第一，超越局限
被广泛用于纯净塑料瓶大批量生产的吹塑成型工艺，并不是第一个受到关注的汽车复合材料加工技术，但劳士领汽车公司（德国Kelsterbach）却成为第一家采用聚苯硫醚（PPS）吹塑成型一种进气管的厂商，其产品满足了一款商业化生产的汽车上的极高温度应用需求。该进气管被大众汽车公司用于2009款装有劳士领汽车公司提供的2L柴油发动机的汽车上，它采用了泰科纳工程聚合物公司的两个级别的玻璃纤维填充Fortron PPS：管体本身由15%短玻纤增强Fortron PPS 1115LO材料吹塑成型而出，支架则由30%短玻纤增强Fortron PPS FX4330T7材料注塑成型而出。该进气管的最高使用温度高达230℃，且比它所替代的铝管大约轻30%。泰科纳的市场开发工程师Bob Newill介绍说：“通过吹塑成型，我们能够获得良好的硬度，并能够成型出非常复杂的形状以适应发动机周围的紧凑空间需求。”
通过与劳士领汽车公司在一款形状复杂的进气管项目上的合作，泰科纳于2012年6月推出了一种专利的可吹塑成型的Fortron PPS。据劳士领汽车公司高级主管工程师Paolo Curci介绍，该部件只能通过3轴机械手操作的吹塑成型工艺被生产出来。
作为第一种采用此工艺进行加工的PPS，该材料实现了更高的熔接强度、进一步改善的抗冲击性、更大的吹胀比和更长的使用时间,其CLTE可与铝相媲美,且连续使用温度可达240℃。
Bruss北美公司（美国肯塔基州Russell Springs）最近采用巴斯夫传统的尼龙级别，即35%玻璃纤维填充的Ultramid A3WG7 HP bk20560,在克莱斯勒汽车公司2011款Pentastar发动机的热塑性塑料凸轮轴罩盖上，实现了其所谓的“突破性的注塑成型部件公差” 。其关键性的创新包括为凸轮轴罩盖的功能表面提供一种挠性密封解决方案，以及布置在该热塑性塑料盖体上的独立的基准销。Bruss北美公司在该注塑成型的凸轮轴罩盖上实现了低于±0.05mm的传统机加工的公差水平。巴斯夫的Schlicker说，这种Ultramid材料能够在170℃下连续使用，这是该部件期望使用温度范围的最高值。他介绍说，Ultramid材料良好的流动性还使该公司只通过一个浇口便充满了复杂的部件型腔，因而无需使用加工PA 6/6材料通常所需的大吨位注塑机。
采用巴斯夫专为纤维增强注塑成型热塑性塑料而开发的ULTRASIM FEA软件，Bruss北美公司与巴斯夫在凸轮轴罩盖的设计上展开了合作，该软件主要被用于描述玻璃纤维在缸前盖密封垫圈中的取向和定位。该分析帮助工程师们形成了最终可确保沿部件凸缘提供正常长期密封的设计。Schlicker说，巴斯夫的客户能够使用该软件的计算机辅助工程工具去高效率地订制材料、部件的几何形状和浇口位置。
Freudenberg-NOK Sealing Technologies公司（美国密歇根州Plymouth）最近采用热塑性塑料注塑成型了一种高度充满的变速箱蓄能器活塞。该活塞被用于所有装备了自动变速箱的克莱斯勒汽车上，它采用雪佛龙菲利普斯化工公司的含65%填料（玻璃纤维和矿物填料各占50%）的Ryton R-7-120PPS制成。此前，克莱斯勒汽车公司一直采用一种自有的铸造和机加工工艺去生产一种铝活塞，Freudenberg-NOK Sealing Technologies公司则为其提供聚四氟乙烯（PTFE）的密封。当克莱斯勒汽车公司寻求一种替代设计方案时，Freudenberg-NOK Sealing Technologies公司则抓住了FEA研究、材料测试以及对替代方案进行车内验证的工作。该部件重29.07g，与49.96g的铝活塞相比，重量降低了47%。该热塑性塑料的活塞可以在高达150℃的操作温度下有效运行约321870km。Freudenberg-NOK Sealing Technologies公司负责未来技术的Rory Pawl说，关键是要寻找一种材料，它能够提供尺寸稳定性并能够长期耐受热的变速箱液体。“在蓄能器活塞中有两个弹簧，从而要求材料的耐磨性要能抵御弹簧运动引起的磨损，这对于保持活塞的长期使用性能是必要的。”Pawl说。该新的活塞帮助克莱斯勒汽车公司为每个变速箱节省了1.53美元的成本，或者说，该公司每年可节省超过200万美元的成本。