背景和要求
歐洲的汽車制造商很早就開始用玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料代替鋼材來制作備胎箱（SWW）。盡管這項(xiàng)應(yīng)用已經(jīng)有20余年的歷史了，但是亞太以及北美地區(qū)的OEM制造商對(duì)此卻仍然知之甚少。在此，就讓我們來領(lǐng)略一下這一技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)。
備胎箱（SWW）是一種常用的客車部件，里面通常放置備用輪胎、輪胎撬棒和千斤頂?shù)?。這種大型部件一般是被模塑成一個(gè)開放式的箱體，箱體上配有一個(gè)耐負(fù)荷材料制成的頂蓋，有時(shí)還在蓋板上或箱體上鋪上一些裝飾性材料。通常，這種部件必須經(jīng)過多項(xiàng)檢測(cè)后才能被裝配到車輛上，尤其是對(duì)其沖擊性能的要求最為嚴(yán)格。
由于沖擊性能不僅取決于SWW的結(jié)構(gòu)，也受輪胎輪轂吸收能量大小的影響。因此，這項(xiàng)檢測(cè)通常被認(rèn)為是所有檢測(cè)項(xiàng)目中最重要的一項(xiàng)。
此外，對(duì)SWW的檢測(cè)還包括抗噪音/振蕩/平穩(wěn)（NVH）性能、耐候性、阻燃性、耐化學(xué)品性和抗熱老化性以及一些常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械性能測(cè)試，包括沖擊性能、拉伸性能、伸長率等。傳統(tǒng)的檢測(cè)還包括在凸凹不平的道路上駕駛汽車以檢測(cè)箱底被刮擦的情況。
在過去的數(shù)十年里，制造這種部件的材料通常是鋼板。但是，在汽車“減肥”的呼聲日益高漲以及削減成本的要求下，許多歐洲的OEM制造商都在尋求用復(fù)合材料來代替鋼材，聚合物復(fù)合材料的重量優(yōu)勢(shì)因此而顯現(xiàn)出來。由于鋼材價(jià)格的上漲，特別是對(duì)于一些小批量生產(chǎn)的汽車，聚合物復(fù)合材料具有成本上的優(yōu)勢(shì)。
復(fù)合材料的選擇
用在客車上最普通的復(fù)合材料是玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(GMT)。將各種類型的玻璃纖維氈如長玻璃纖維、隨機(jī)取向玻璃纖維、短玻璃纖維或者玻纖織物填充到聚合物基體中即得到這種高強(qiáng)度的復(fù)合材料。一般情況下，基體樹脂采用聚丙烯，而事實(shí)上，任何熱塑性塑料都能夠滿足要求。通常在選擇聚丙烯時(shí)，首先要考慮聚丙烯基體本身應(yīng)具有較高的力學(xué)等綜合性能，還要使其有良好的加工性能。據(jù)熱熔法工藝特點(diǎn)，要求聚丙烯在熔融態(tài)時(shí)，有較低的熔融粘度，使其能比較容易地滲入玻纖氈和浸潤玻纖，并在片材進(jìn)行二次甚至多次的熱成型加工時(shí)具有良好的工藝流動(dòng)性。熔融指數(shù)MI是表征熔融粘度的指標(biāo)，MI小的聚丙烯，由于分子量大，力學(xué)性能較好，但在熔融態(tài)下，粘度大，難于滲透與浸潤玻纖氈，使基體與玻纖氈間結(jié)合力差，結(jié)果降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能。MI大的聚丙烯，分子量小，本身力學(xué)性能較差，但在熔融態(tài)下，粘度較小，易于滲透與浸潤玻纖氈，使基體與玻纖氈間有較好的結(jié)合力，其協(xié)同作用的結(jié)果，使產(chǎn)品有較好的力學(xué)性能。因此，要選擇適當(dāng)MI值的聚丙烯。在不必改變?nèi)魏渭庸し绞降那闆r下，各種類型的玻纖復(fù)合材料都可以在模具里被很好地組合在一起。
一般，30mm?50mm或更長一點(diǎn)的玻纖增強(qiáng)的GMT比長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（LFT）或片狀膜塑料（SMC）具有更高的沖擊強(qiáng)度和韌性。所謂LFT是將添加劑填充到聚合物基體中，再將其切割成一定長度的長玻纖粗紗，然后浸透到熔體中通過壓縮或轉(zhuǎn)移壓縮成型。成型以后，纖維的平均長度為5cm?20cm。SMC是將切成25mm?50mm的玻纖填充到熱固性聚酯樹脂中，通過注射或壓縮成型。SMC在加工之前必須保持冷卻狀態(tài)，而且有保質(zhì)期的限制。
由于GMT和LFT是熱塑性復(fù)合材料，因此加工過程中產(chǎn)生的邊腳廢料或廢棄的部件能夠被循環(huán)再利用，這也符合歐洲關(guān)于“汽車部件必須能夠被回收再利用”的規(guī)定。比較而言，由于GMT和LFT采用的是聚丙烯樹脂基體，因此比SMC的聚酯基體更輕。另外，SMC是熱固性材料，因此也更脆，不適合用作抗沖擊材料。另外，SMC的加工成型時(shí)間較長，制造像備胎箱這樣的部件往往需要2min?3min。因此，對(duì)于備胎箱的制造而言，GMT是更好的選擇。
材料更新?lián)Q代的復(fù)雜性
相對(duì)于鋼鐵材料而言，玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是：降低了重量和成本，減小了安裝空間，消音性能和NVH性能更好，耐腐蝕性更優(yōu)良。同時(shí)，生產(chǎn)效率得到了提高，部件的裝配、修改、堆放以及組合沒有額外的成本開銷。所有這些優(yōu)點(diǎn)使得玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料備胎箱在歐洲至少有20年成功應(yīng)用的歷史。目前，已經(jīng)有5家OEM制造商使用這種材料制造備胎箱，另外還有幾家汽車部件制造商正處于試生產(chǎn)階段，預(yù)計(jì)年底進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。
如前所述，最初人們認(rèn)為GMT備胎箱更適合于批量為15000或者數(shù)量更少的輕型汽車的生產(chǎn)中。而后來的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，這種替換具有更多的優(yōu)點(diǎn)——無論對(duì)于整車的組裝還是對(duì)于零部件生產(chǎn)商而言，都意味著成本的明顯降低。因此，一項(xiàng)新的計(jì)劃正在醞釀實(shí)施，即每年在30000輛以上的汽車上裝配GMT備胎箱，其中包括平板車。
既然GMT備胎箱有如此多的優(yōu)點(diǎn)，為什么在歐洲以外的地區(qū)卻很少用到這種材料制造備胎箱呢？這涉及很多因素。首先，在歐洲，汽車的箱體是與汽車底盤分離的部件，工程師們對(duì)箱體的檢測(cè)只是為了降低成本、增加功能和加固零件。而在北美則不同，箱體不屬于某一個(gè)部門的產(chǎn)品而被認(rèn)為是車架的一部分。因此，某一部件要想更新?lián)Q代就很難得到內(nèi)部人員的支持，因?yàn)椴牧系母淖儽厝粫?huì)引起生產(chǎn)過程的改變。例如，GMT備胎箱要經(jīng)過靜電噴涂之后，再進(jìn)行加工裝配。另外，生產(chǎn)過程的改變一定會(huì)牽涉到一定量的資本投入，這些投資不僅僅來自于整車廠商，也必然會(huì)分?jǐn)偟狡渌考庸ぶ圃旃?yīng)商身上。最后，對(duì)于北美的OEM制造商來說，要制造玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料備胎箱還需要培訓(xùn)相當(dāng)數(shù)量的熟練工人，無形中又增加了成本。
當(dāng)然對(duì)于北美的汽車制造商而言，他們也具有一些選用GMT備胎箱的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：由于燃料箱的裝配技術(shù)已經(jīng)很成熟，可以從車架的尾部或上面進(jìn)行裝配，這使箱體的裝配工作可以在整車初裝階段就能夠被完成。另外，粘接擋風(fēng)玻璃的設(shè)備以及雙組分氨基甲酸酯膠粘劑已經(jīng)被證實(shí)可以將SWW很好地粘接在白車身上。因此，只要建立合適的裝配線，就能夠達(dá)到10000?30000輛的整車產(chǎn)量。
綜上所述，較低的追加投入（50000美元或以下）、不占用乘客空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)、在降低成本的同時(shí)，還可開發(fā)出更多的使用功能，所有這些都將使GMT備胎箱成為北美汽車制造商們的新寵。
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