汽车用不锈钢夹芯组合薄板
2003-08-06 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
很久以来，人们就认识到由钢性外层及一个低密度的中间芯部组成的夹层结构可能具有非常高的比刚度和其他引人注目的力学性能。大多数这样的结构都是在部件制造之前过程中通过某种组装工艺而产生的，它大大限制了生产工艺灵活性而且费用比较昂贵。当前，瑞典哥德堡Volvo公司开发了一种有前途的新材料——不锈钢夹芯组合薄板（HSSA），并获得了专利。使用这种超轻重量的不锈钢组件的轿车以及公共汽车、卡车、火车、飞机、甚至轮船不久将变为现实。
1、不锈钢夹芯组合薄板（HSSA）
HSSA（hybrid stainless steel assembly）是一种夹芯结构，上下两层304不锈钢薄板（316L也采用过）厚度为0.1-0.2mm，中间芯部粘接着不锈钢纤维（0.020-0.035mm微丝，切割成长度为1mm）。
为了粘接上这种纤维，Volvo公司与德国的一家纺织品制造商合作改进了所谓的絮化工艺，采用这一工艺可把短纤维加到布面上制成天鹅绒似的表面。基板涂上薄薄一层环氧树脂，接通电磁场从而加快不锈钢纤维附着在金属板上，确保牢固的粘接和尽可能多的金属与金属接触。磁化的纤维相互排斥，使得纤维大部分垂直于基板。改变电流从而改变电磁场，得以控制纤维的表面密度。然后将第二块金属板用环氧树脂粘贴土，夹芯薄板经压制并加压烘烤。
这个样板总厚度为1.4mm，可与汽车工业中应用的1.2mm的实体铝不相上下，而且通过调整纤维的厚度、长度、角度和密度等参数可改变HSSA的结构特性。通过利用不同种类的纤维，可以按比例增大或减小中间的芯部。
为了了解如何最好地制造和应用HSSA，剑桥大学和麻省理工学院（MIT）成立了研究院（CMI），正在进行一个为期三年的由Volvo公司资助的研究计划。MIT的工作将集中在研究能量吸收、抗撞击性能和疲劳冲击上。剑桥的研究人员将用各种不同的芯部组成以及纤维的排列布置进行试验，并检验材料的结构、耐用性和焊接性能。研究工作全部是关于如何使芯部结构最优化，这将获得各种性能的最佳组合。它的概念是，获得什么样的材料性能的确在很大程度上取决于芯部是什么样的结构。
2、HSSA的特性
HSSA不锈钢薄板的总厚度和夹芯结构的某些特性使得材料在许多方面可以像传统单片金属板一样进行处理加工，HSSA不仅具有耐蚀性、好的成型性及深冲性和延展性，而且高强度且具有非常高的刚性，它是一种超轻的结构材料，材料中间高空隙度的芯部能量吸收好，具有引人注目的特性，如良好的绝热性、很高的消音和减震能力，材料可以100%回收再利用，显示出其非常好的环保效应。
HSSA代表了现代轻型技术的最新进展，应用于汽车具有以下优点：
1、对HSSA所有重要的特性，将使汽车产品的设计不断创新。
汽车工业有着HSSA广泛应用的潜力，使汽车制造商设计出更轻、燃烧效率更高又不损害安全性的车辆。HSSA除了在制造汽车挡泥板、防护罩和车顶蓬方面代替金属板的明显潜力外，还可以制成管状部件用作结构部件。这种材料可挤压成一个手风琴（研究者们称为“纯折叠功能”）以缓冲碰撞的冲击。
2、HSSA抗撞击性能的初步研究发现，它比实体金属板多吸收了50%-60%的能量。与常规同重的汽车相比则更刚硬和更抗撞击，或者保持同样的刚硬和抗撞击性能则有更轻的重量。
3、采用HSSA制造的汽车的顶蓬重量只有8.5kg，其刚性是铝板顶蓬的8倍，而重量是塑料复合材料制成的同样部件重量的四分之一。预计HSSA制造的汽车其总重量比传统的车辆将减轻50%-70%。
4、用HSSA为汽车设计了一片隔热板，保护车主不受发动机舱热量和噪音的影响，而不需要采用一层厚的橡胶隔离材料。
5、用HSSA设计的汽车还具有轻巧度增加，部件减少，表面处理减少，工具成本降低，耗油少，设计至面世时间缩短以及废料（100%的回收）价值提高等的优势。
6、对环境有好处的HSSA是特别有前途的。用材料的环境负荷——衡量生产一个产品所消耗的资源和它所生产的任何排放的方法，对一辆行驶了20万公里的汽车的顶盖进行寿命期评估，结果显示，尽管用HSSA制作的顶盖在其制造阶段具有最高的环境负荷，但使用过程中燃料的节约和可回收性，使它比用钢、铝或塑料复合材料制造的顶盖更有利于环境。
3、未来研究和发展
HSSA在加工方面还有很多待解决的问题，应当通过计算机模型试验获得更多的基础性了解，使结构方程和其他数学模型得以开发。它将HSSA的特性与其内部结构以及结构是如何取决于生产、加工或机加工和喷涂条件等定量地联系起来。目前这些依赖于材料的工艺模型将从试验、科学原理和规律中导出，以便得出尽可能准确的计算机并提高我们优化和控制工艺过程的能力。
面板和纤维都可以采用其他种类的不锈钢。剑桥的研究队伍正在探索采用较高铬含量的铁素体不锈钢如S44600制造纤维的方案，以便利用它的磁性。芯部高空隙的特性（纤维之间的空间占其全部容量的80%到95%）需要用不锈钢以防内部腐蚀，可利用空隙置入传感器，或在有表面受热的地方，冷却液体可以在中空的芯部循环。
HSSA焊接性能的研究尤其重要。在剑桥进行的初步试验发现使用汽车工业中常用的电阻焊技术难以将材料接合起来。HSSA这种粘接接合的材料，在最初的试验中不能被成功地焊接，并且出现了焊缝缺陷和面板损伤。焊接困难也在研究改进。对材料来说更多地依赖于芯部的结构，需要穿过（薄板）厚度的合理良好的热传导，所以不锈金刚纤维与两张面板必须有合理的良好的接触。
4、多应用领域可实现的技术
领先的HSSA可被看作是民用和军队系统种类地面和空中交通运输的可实现技术。
HSSA无论是通过改善现有的产品还是创造全新的可能，对于许多制造加工方面的发展也是很关键的。
HSSA是制造轻型轿车、卡车、公共汽车和火车的关键材料，是提高燃料效率而不牺牲安全性这个目标的重要部分，安全性有助于改善整个交通运输行业的效率。
5、寿命期评价
建立鉴别和量化部件整个寿命期每个阶段排放和资源使用的整体观点。
欧洲委员会新的指令将迫使制造商从2006年拆除问题迫使人们对于汽车的选材越来越关注与总体环境的相容性、环境友好性、市场认可和产品的形象。
只有采用寿命期的方法才能对与交通工具设计有关的环境效应进行公正地评估。寿命期的评价方法给出了一个车辆部件整个寿命期的各个阶段所造成的环境负荷的全貌。当进行一个寿命期评价时，采用全面整体的观点分析对部件整个寿命期每个阶段资源的使用和排放进行鉴别和量化。体系中每个排放或资源都有一个环境指数。根据以下基本定律，这些指数累加将得出工艺过程和产品的环境负荷：
环境指数*数量=环境负荷单位（ELU）
（图略）是行驶20万公里的不同材料汽车活动顶蓬的（车顶面积2.3m2）寿命期评估。
在这项应用中，HSSA是迄今最为环保的选择。材料很轻的重量使得车辆在使用过程中对环境造成的负荷很低，并且回收再利用的价值几乎抵消了制造过程引起的环境负荷。这个例子清楚地说明HSSA当用于车体结构部件时具有无人可及的环境效能。这个车体设计用各种材料的寿命期评估就超轻不锈钢组合材料设计的适用性和未来得出了令人鼓舞的结论，表现在以下方面：
（1）制造效率方面的收益
优异的可成型性——节约了主要工具、设备和装配费用。
简化了表面处理——降低了成本并使较小规模和较局部的生产成为可能。
高抗挠刚度——使部件集成和采用较大的预装配部件成为可能。
（2）使用过程效率方面的收益
超轻的重量——由于结构和其它部件变小使负荷降低，而可以集中为一整体。
高耐腐蚀性——使耐用性、寿命和品质方面可以获得很高的标准。
优异的隔音、减震、刚硬性能——减少了所需要的额外缓冲材料的体积，节省了空间、重量、组装时间和成本。
优异的能量吸收特性——是由断面的特性（不是材料特性）产生的安全性能。
（3）寿命期结束后的收益
100%可回收再利用——HSSA废料回收的潜在效益将增加生产的经济效益。
有利于环境——HSSA由于具有非常有利的寿命期能源平衡，将为广大公众所接受。
6、结论
当前，汽车材料的需求在很大程度上取决于成本和安全性因素，其次是包括高效装配技术和提高组合件材料强韧性的加工技术。短期看来成本仍然是主要的决定因素，因此汽车选材仍以钢材为主，但由于环保的要求，促使汽车工业向使用轻型结构的方面发展，届时，代表最新技术先锋的超轻不锈钢组件将被广泛应用，轻型可回收材料将由于其环保优势而在世界汽车市场中占有重要地位。
(陈文蕾 编译)
1、不锈钢夹芯组合薄板（HSSA）
HSSA（hybrid stainless steel assembly）是一种夹芯结构，上下两层304不锈钢薄板（316L也采用过）厚度为0.1-0.2mm，中间芯部粘接着不锈钢纤维（0.020-0.035mm微丝，切割成长度为1mm）。
为了粘接上这种纤维，Volvo公司与德国的一家纺织品制造商合作改进了所谓的絮化工艺，采用这一工艺可把短纤维加到布面上制成天鹅绒似的表面。基板涂上薄薄一层环氧树脂，接通电磁场从而加快不锈钢纤维附着在金属板上，确保牢固的粘接和尽可能多的金属与金属接触。磁化的纤维相互排斥，使得纤维大部分垂直于基板。改变电流从而改变电磁场，得以控制纤维的表面密度。然后将第二块金属板用环氧树脂粘贴土，夹芯薄板经压制并加压烘烤。
这个样板总厚度为1.4mm，可与汽车工业中应用的1.2mm的实体铝不相上下，而且通过调整纤维的厚度、长度、角度和密度等参数可改变HSSA的结构特性。通过利用不同种类的纤维，可以按比例增大或减小中间的芯部。
为了了解如何最好地制造和应用HSSA，剑桥大学和麻省理工学院（MIT）成立了研究院（CMI），正在进行一个为期三年的由Volvo公司资助的研究计划。MIT的工作将集中在研究能量吸收、抗撞击性能和疲劳冲击上。剑桥的研究人员将用各种不同的芯部组成以及纤维的排列布置进行试验，并检验材料的结构、耐用性和焊接性能。研究工作全部是关于如何使芯部结构最优化，这将获得各种性能的最佳组合。它的概念是，获得什么样的材料性能的确在很大程度上取决于芯部是什么样的结构。
2、HSSA的特性
HSSA不锈钢薄板的总厚度和夹芯结构的某些特性使得材料在许多方面可以像传统单片金属板一样进行处理加工，HSSA不仅具有耐蚀性、好的成型性及深冲性和延展性，而且高强度且具有非常高的刚性，它是一种超轻的结构材料，材料中间高空隙度的芯部能量吸收好，具有引人注目的特性，如良好的绝热性、很高的消音和减震能力，材料可以100%回收再利用，显示出其非常好的环保效应。
HSSA代表了现代轻型技术的最新进展，应用于汽车具有以下优点：
1、对HSSA所有重要的特性，将使汽车产品的设计不断创新。
汽车工业有着HSSA广泛应用的潜力，使汽车制造商设计出更轻、燃烧效率更高又不损害安全性的车辆。HSSA除了在制造汽车挡泥板、防护罩和车顶蓬方面代替金属板的明显潜力外，还可以制成管状部件用作结构部件。这种材料可挤压成一个手风琴（研究者们称为“纯折叠功能”）以缓冲碰撞的冲击。
2、HSSA抗撞击性能的初步研究发现，它比实体金属板多吸收了50%-60%的能量。与常规同重的汽车相比则更刚硬和更抗撞击，或者保持同样的刚硬和抗撞击性能则有更轻的重量。
3、采用HSSA制造的汽车的顶蓬重量只有8.5kg，其刚性是铝板顶蓬的8倍，而重量是塑料复合材料制成的同样部件重量的四分之一。预计HSSA制造的汽车其总重量比传统的车辆将减轻50%-70%。
4、用HSSA为汽车设计了一片隔热板，保护车主不受发动机舱热量和噪音的影响，而不需要采用一层厚的橡胶隔离材料。
5、用HSSA设计的汽车还具有轻巧度增加，部件减少，表面处理减少，工具成本降低，耗油少，设计至面世时间缩短以及废料（100%的回收）价值提高等的优势。
6、对环境有好处的HSSA是特别有前途的。用材料的环境负荷——衡量生产一个产品所消耗的资源和它所生产的任何排放的方法，对一辆行驶了20万公里的汽车的顶盖进行寿命期评估，结果显示，尽管用HSSA制作的顶盖在其制造阶段具有最高的环境负荷，但使用过程中燃料的节约和可回收性，使它比用钢、铝或塑料复合材料制造的顶盖更有利于环境。
3、未来研究和发展
HSSA在加工方面还有很多待解决的问题，应当通过计算机模型试验获得更多的基础性了解，使结构方程和其他数学模型得以开发。它将HSSA的特性与其内部结构以及结构是如何取决于生产、加工或机加工和喷涂条件等定量地联系起来。目前这些依赖于材料的工艺模型将从试验、科学原理和规律中导出，以便得出尽可能准确的计算机并提高我们优化和控制工艺过程的能力。
面板和纤维都可以采用其他种类的不锈钢。剑桥的研究队伍正在探索采用较高铬含量的铁素体不锈钢如S44600制造纤维的方案，以便利用它的磁性。芯部高空隙的特性（纤维之间的空间占其全部容量的80%到95%）需要用不锈钢以防内部腐蚀，可利用空隙置入传感器，或在有表面受热的地方，冷却液体可以在中空的芯部循环。
HSSA焊接性能的研究尤其重要。在剑桥进行的初步试验发现使用汽车工业中常用的电阻焊技术难以将材料接合起来。HSSA这种粘接接合的材料，在最初的试验中不能被成功地焊接，并且出现了焊缝缺陷和面板损伤。焊接困难也在研究改进。对材料来说更多地依赖于芯部的结构，需要穿过（薄板）厚度的合理良好的热传导，所以不锈金刚纤维与两张面板必须有合理的良好的接触。
4、多应用领域可实现的技术
领先的HSSA可被看作是民用和军队系统种类地面和空中交通运输的可实现技术。
HSSA无论是通过改善现有的产品还是创造全新的可能，对于许多制造加工方面的发展也是很关键的。
HSSA是制造轻型轿车、卡车、公共汽车和火车的关键材料，是提高燃料效率而不牺牲安全性这个目标的重要部分，安全性有助于改善整个交通运输行业的效率。
5、寿命期评价
建立鉴别和量化部件整个寿命期每个阶段排放和资源使用的整体观点。
欧洲委员会新的指令将迫使制造商从2006年拆除问题迫使人们对于汽车的选材越来越关注与总体环境的相容性、环境友好性、市场认可和产品的形象。
只有采用寿命期的方法才能对与交通工具设计有关的环境效应进行公正地评估。寿命期的评价方法给出了一个车辆部件整个寿命期的各个阶段所造成的环境负荷的全貌。当进行一个寿命期评价时，采用全面整体的观点分析对部件整个寿命期每个阶段资源的使用和排放进行鉴别和量化。体系中每个排放或资源都有一个环境指数。根据以下基本定律，这些指数累加将得出工艺过程和产品的环境负荷：
环境指数*数量=环境负荷单位（ELU）
（图略）是行驶20万公里的不同材料汽车活动顶蓬的（车顶面积2.3m2）寿命期评估。
在这项应用中，HSSA是迄今最为环保的选择。材料很轻的重量使得车辆在使用过程中对环境造成的负荷很低，并且回收再利用的价值几乎抵消了制造过程引起的环境负荷。这个例子清楚地说明HSSA当用于车体结构部件时具有无人可及的环境效能。这个车体设计用各种材料的寿命期评估就超轻不锈钢组合材料设计的适用性和未来得出了令人鼓舞的结论，表现在以下方面：
（1）制造效率方面的收益
优异的可成型性——节约了主要工具、设备和装配费用。
简化了表面处理——降低了成本并使较小规模和较局部的生产成为可能。
高抗挠刚度——使部件集成和采用较大的预装配部件成为可能。
（2）使用过程效率方面的收益
超轻的重量——由于结构和其它部件变小使负荷降低，而可以集中为一整体。
高耐腐蚀性——使耐用性、寿命和品质方面可以获得很高的标准。
优异的隔音、减震、刚硬性能——减少了所需要的额外缓冲材料的体积，节省了空间、重量、组装时间和成本。
优异的能量吸收特性——是由断面的特性（不是材料特性）产生的安全性能。
（3）寿命期结束后的收益
100%可回收再利用——HSSA废料回收的潜在效益将增加生产的经济效益。
有利于环境——HSSA由于具有非常有利的寿命期能源平衡，将为广大公众所接受。
6、结论
当前，汽车材料的需求在很大程度上取决于成本和安全性因素，其次是包括高效装配技术和提高组合件材料强韧性的加工技术。短期看来成本仍然是主要的决定因素，因此汽车选材仍以钢材为主，但由于环保的要求，促使汽车工业向使用轻型结构的方面发展，届时，代表最新技术先锋的超轻不锈钢组件将被广泛应用，轻型可回收材料将由于其环保优势而在世界汽车市场中占有重要地位。
(陈文蕾 编译)
