图1 就像包封在这辆宝马M3小轿车上的底护板一样，在欧洲汽车和一些亚洲汽车上长期使用的底护板有助于降低汽车内外噪音，改善燃油经济性，并保护汽车底部免受石击和水溅射的影响（图片由宝马公司提供）

车身底护板为复合材料提供了巨大的应用空间——这些部件通常很大，并可充分利用复合材料的独特优势，以保护汽车底部、改善燃油经济性并降低汽车噪音。目前的一些迹象表明，已广泛应用于欧洲和亚洲的复合材料底护板最终可能在美国和加拿大的汽车市场中盛行。

通过机械方法贴附到白车身上的车身底护板（简称“UBSs”）起初是被用在前保险杠和前轴之间，以用于空气管理以及隔离发动机噪音，此外，在一些重要部件上也使用了一些小型防护板，如燃油箱，以起保护的作用。目前的UBSs已经演化成为一系列的大型护板，几乎覆盖了乘用车的整个底盘（除排气管外）。今天，欧洲的汽车以及在亚洲制造的相当数量的汽车上已广泛使用了这种完整的底护板。但令人奇怪的是，这种完整的底护板却很少出现在大多数北美设计和制造的汽车中。

显然，出于各种各样的原因，特别是欧洲、亚洲和北美汽车市场的不同，使得北美的汽车制造商们已错失了这一发展机遇。但是，目前的一些并非不重要的因素，特别是近年来世界石油市场的巨大波动，以及由此而引起的燃油价格的变化和美国政府的燃油经济性法规的出台，均预示着北美汽车市场将发生转变。

图2 宝马M3轿车上使用的4块轻量化增强热塑性复合材料（简称“LWRT”）底护板是在两副模具中、通过热压成型工艺被生产出来的，该工艺属于一种低压模压成型技术（图片由Quadrant Plastic Composites提供）

UBSs在欧洲和亚洲的发展

完整的车身底护板最早出现在德国始于1980年代的晚期和1990年代的早期，因为德国是世界上对汽车降噪要求较严格的一个国家，其对汽车噪音的管理涉及了乘员室内部和街道外部。

据美国Zumhagen公司总经理Conrad Zumhagen介绍，推动底护板发展的一个主要因素是德国的汽车噪音标准。目前，该公司已为其客户实施了几项有关车身底护板方面的全球市场研究工作。“在欧洲特别是在德国，柴油发动机具有很广泛的应用，而这种发动机的噪音比汽油发动机要大。”他解释说，“再加上这一地区较高的运行速度以及历来较高的燃油价格，均为底护板带来了良好的发展机遇，因为它能够降低噪音、改善汽车的空气动力性能并提高燃油经济性。”

作为德国化学技术大学Fraunhofer学院的代理院长以及德国车辆系统技术研究院轻量化技术中心的负责人，Frank Henning博士介绍说，“多方面的原因促进了UBS系统在欧洲汽车上的应用，其中最重要的原因是，通过对空气动力性能的有效管理，可减少燃油消耗量，同时，有关降低汽车噪音的新法规也对此起到了推动作用。的确，欧洲较高的燃油价格以及法规上的一些要求是推动UBS系统发展的主要原动力。” UBSs不仅有助于降低汽车的噪音，而且还能改善燃油经济性。“利用这些底护板，可以将空气阻力系数或风阻系数提高10%。” 美国汽车研究理事会（简称“USCAR”）的空气动力研究部门的负责人Steve Parks（他同时也是福特汽车公司的汽车工程/空气动力部门的高级工程师）说，“对于典型的北美汽车应用而言，它可使在城市道路/普通公路上运行的汽车的EPA燃油经济性指标平均提高1%～1.5%，使在高速路上行驶的汽车的燃油经济性指标提高3%～5%。”。

通常，德国的汽车制造厂商总习惯于使用全长的UBSs。其他的欧洲汽车制造商则根据德国市场对他们的重要程度而跟随这一做法。然而，即使到目前为止，并非所有的欧洲汽车制造商们都将UBSs用于他们所有的汽车上。但由于德国是一个重要的汽车市场，因此亚洲和北美的汽车制造商们在欧洲制造的汽车或者发运到欧洲的汽车都使用了UBSs，实际上，安静的汽车内部已成为一些高档豪华车的重要卖点，如由日本丰田汽车公司制造的Lexus车。许多亚洲的汽车制造商已相继地将UBSs用于在其本地制造和销售的汽车上，但北美的汽车OEM们还没有这样做。

图3 底护板的一个重要特性是声阻结构。对此，一种方案（上图）是添加传统的吸音材料，如发泡材料或织物。另一种替代方案（中图和下图）是添加一系列小型的中空吸音腔，这可利用热成型技术，成型出一个带有一系列中空腔的片状结构，然后利用胶粘剂将其粘接到底护板的内表面上（图片由迪芬巴赫提供）

随着UBSs的不断改进和变大，它们也从简单的平板变成了复杂的形状，并可提供多种功能。到1990年代的早期，早先由钢或铝制成的底护板则转变为采用复合材料。“复合材料是这一应用的理想材料。”

Henning介绍说，“它们固有的多功能性允许将高效的空气动力性能、声阻性、热管理性能、抗腐蚀性、高刚性和冲击强度等设计到轻量化及低成本的部件中。”

Zumhagen补充说：“在这些底护板上，你可以在每单位面积重量上获得想要的韧性、抗化学性、低温碰撞性和高刚性，同时，你也可以做到在一个大型部件上分布有薄的部分，以尽可能地减轻重量。”

作为在过去的10年里已生产出复合材料UBSs的几家北美成型商之一的Continental Structural Plastics公司（以下简称“CSP公司”），为欧洲一些跨国经营的汽车制造商设在北美的组装工厂生产并提供此类部件。CSP公司的副总裁Thomas Hillborn介绍说：“汽车底部形状繁多，因此这些部件结构复杂，可以将各种想法融入其中。它们必须能够管理好许多风湍流问题，再加上石击、阻水、隔热和隔音方面的问题，简言之，复合材料可以永久提供这些特性。并且针对较短的汽车上市周期，复合材料的成型模具比采用钢材更具成本竞争力。这就是为什么复合材料天然地成为此应用的最佳材料之一。”

材料：适者生存

起初，大多数的复合材料UBSs是采用PP基的玻璃纤维毡热塑性复合材料（GMT）经模压成型被生产出来，其中GMT中采用的是短切玻璃纤维毡。当时并且现在仍然是市场领先者的GMT供应商Quadrant Plastic Composites公司（一家瑞士公司），其传统的GMT产品在整个1990年代被用于越来越大的底护板上。GMT很好地适应了这一应用，即使在低温条件下，它也是一种非常坚韧且可延展的复合材料，并能够被成型为带有适量设计细节（如在选定的增强部位增加肋）的大而平的产品形状。用GMT板取代金属板，不仅减轻了重量并解决了腐蚀问题，而且在中低产量情况下还降低了生产成本。通常，在汽车上那些需要提供良好热防护性能的部位，可将金属护板添加到GMT护板上，以辐射热量；在那些对隔音要求较高的部位，可以采取隔声补强措施；在需要提供高机械性能的部位，可以有选择地使用带有特殊设计的纤维织物的GMT 材料。

图4 这两块D-LFT PP材料的底护板（一个大型防护系统的组成部分）被用在德国大众汽车公司、大众汽车公司的附属公司——西班牙的SEAT公司和捷克的?koda Auto公司开发的汽车上（图片由迪芬巴赫提供）

1990年代的晚期，首个用于注塑成型的PP基长玻纤热塑性复合材料（LFT）粒料被推向市场。当时一些拥有注塑成型能力的UBSs供应商们开始对这些材料进行评估，期望该材料能为他们带来节省材料成本、增强部件的集成性以及提高生产速度的优势。但很快，他们就发现，要解决好汽车底部的问题并非一件易事：LFT材料的UBSs容易出现开裂，这是由于LFT中的玻纤较短，从而降低了材料的撞击强度而导致的。结果，大多数已转向采用注塑成型LFT的项目在进行下一次的技术更新时，放弃了这种方法。

一些供应商们转向采用了最新出现的直接在线混配LFT技术（D-LFT）。与LFT粒料相比，这种挤压成型或注压成型的D-LFT提供了更长的纤维长度和更高的刚性。D-LFT工艺还为在生产后期将特殊设计的纤维织物组合到部件中以提高局部刚性提供了可能，这与在GMT部件中的做法类似，但其成本更低。由此，也证明了D-LFT是一种更加灵活的生产方式。D-LFT设备的制造商包括：德国的迪芬巴赫公司和克劳斯玛菲技术公司，以及加拿大的赫斯基注塑系统公司和美国的PlastiComp公司。

其他的供应商们则转向采用了与模压成型GMT技术稍有区别的生产方法，叫作“轻量化增强热塑性塑料（lightweight reinforced thermoplastic，简称“LWRT”）”。LWRT不像GMT那样坚韧，基于较高的纤维含量，使得LWRT的每单位面积重量的刚性更高，密度更低，依据这种片状产品的增强（挤压）程度，还可提供出色的声阻特性。目前，美国的Quadrant 公司和Azdel公司提供LWRT材料。尽管LWRT板比传统的GMT、LFT或D-LFT板要厚，例如，LWRT板的厚度通常是4.0～7.0mm，而D-LFT板的厚度只有1.8～2.0mm，但其重量却比它们更轻。

在近10年的早期，这两种新型的热塑性复合材料开始侵占传统的GMT在底护板市场中的份额。今天，在欧洲和亚洲汽车上使用的大多数全长UBSs都是采用LWRT、D-LFT或这两种材料的组合方式被生产出来的。

北美：不同的发展道路

另一方面，在北美设计和制造的汽车，更倾向于采用拼接的小块板作为底护板，以覆盖一些重要的底盘部件，如燃油箱、进油和制动管线，以及碳罐支架等，而真正的底护板却并不多见。在北美制造的汽车之所以采用如此的底护板配置，是因为这里的情况与欧洲市场全然不同。

图5 从法国PSA-Citroën公司为Citroën Berlingo货车开发的D-LFT防护板上可以看出，底护板可以是大型的复杂成型制品，它可根据底部应用的需求提供多种功能。显然，回收材料（熔化后可再加工的材料）能够被用于制造这一部件（图片由Rieter Automotive提供）

“严格的降噪标准、柴油发动机的大量使用、高运行速度以及高燃油价格等，这些推动UBSs得以在欧洲发展的因素在北美并不存在。” Zumhagen解释说，“所以在北美，底护板的作用主要是保护底盘，并且通常被用于一些野外行驶的车上，如皮卡、SUVs和CUVs等。”因为这些“防滑板”主要被用于保护发动机舱，因此它们通常只是用在前保险杠和前轴之间的区域。此外，它们采用的材料也不同——要么是金属（钢或铝），要么是热成型的或注塑成型的、非增强的高密度聚乙烯（HDPE）或PP。这并不是说在北美就没有使用全UBSs的汽车。那些在其他地方使用了全长防护板的汽车制造商们，当他们向北美出口汽车，或者开始在这一地区生产同样的汽车时，并不愿意取消全长UBSs的配置。

尽管复合材料的全长车身底护板的优势已得到了实际验证，但北美的汽车制造商们，甚至是那些在销售到欧洲和亚洲的汽车上使用了复合材料UBSs的汽车制造商们仍没有完全采纳这一技术，这是为什么呢？部分原因是，北美（特别美国）长期享受着低油价待遇，同时其法定行驶速度又远低于德国。因此，直到最近，美国对燃油效率的重视程度也没有世界其他国家要高。一些资料表明，北美的汽车制造商们已倾向于集中对汽车前端的空气动力性能进行改进而非底盘部分。此外，北美也并不重视降噪问题。至于路噪问题，北美是采用在住宅和道路之间设置隔音墙的方式，而不要求达到欧洲规定的安静行驶效果。而且，北美市场对成本的增加非常敏感。

适应压力

最终，一切似乎都发生了变化。据报道，于2010年发布的3个北美项目就采用了全长UBSs，并且更多的开发项目也将步此后尘。为什么北美的汽车制造商会突然间对UBSs产生兴趣呢？美国Quadrant Plastic Composites公司的产品经理Joseph George认为，2008年燃油价格的剧烈波动是一个重要的“催化剂”。

“打破记录的燃油价格以及公司平均燃油经济性（简称“CAFE” ）指标的变化，无疑给汽车制造商们带来了压力，促使他们要快速找到能够改善燃油经济性的方法。” George说，他帮助实现了该公司的LWRT复合材料在今后一些项目中的应用。“出于改善空气动力性能以及起保护作用的目的，今后所有新开发的汽车都将采用底护板。”在反思以往的做法时，北美的汽车制造商们发现，其实他们已经采用了很多套的模具生产出了一系列的小型防护板，最终，这些防护板也只覆盖了底盘上很小的一部分区域。“他们已经认识到，他们可以采用一副模具来制造一个真正的大型底护板，并且这个部件能够覆盖汽车的整个底部，并带来许多额外的优势。” George接着说。

图6 这种为宝马5系列跑车开发的3片式LWRT底护板是通过热压成型工艺（一种低压模压成型技术），在一副模具中成型出一个大型部件，然后在组装前被分切开来（图片由Quadrant Plastic Composites提供）

那么，这些新的开发项目能代表北美今后的发展趋势吗？Zumhagen表示，现在断言还为时过早。但他确信，UBSs在北美将面临着一个发展机遇，只是普及速度不会太快。但George却认为，这一发展趋势是真实存在的，并且他正在为将于今后几年发布的几个汽车项目提供支持。实际上，采用LWRT材料的UBSs通常被成型为一个大型板，然后被切割成多个小片以贴附在汽车底部。由于LWRT采用的是热压成型而非传统的用于GMT和D-LFT的高速模压成型，因此，只要模板尺寸足够，使用低吨位的压机即可成型出一块大型护板，或者可在一副组合模具中成型出多个护板。然后利用一个水刀（waterjet）将该大型护板切成几个小型板，这些小型板随后被贴附到汽车底部周围。

George说，他在面对这些新项目时遇到的最大挑战之一是，在北美寻找能够成型这些部件的基础设施。尽管有几家一级供应商拥有大型模压机，并且这些机器的模板尺寸足以满足生产UBSs的要求，但问题是，这些机器是否能够以较低的成本生产出这些部件，也就是说，要求高速压机的每一冲程可提供几千吨的力，从而仅以几百psi的压力就可成型出这些大型部件。当George得到几家阻隔层（headliner）制造商的帮助后，问题得到了解决。这些制造商不仅拥有大模板的、带有较好配置的且可实现低压成型操作的压机，而且他们还使用了水刀。

然而，George却提醒说，UBSs不只是安装在汽车底部的阻隔层（headliners），在一定程度上，需要采用特殊的材料配方，以提供可成型性以及耐受石击的性能。对于后者，可通过使用特殊的薄膜和棉麻织物对部件表面进行增韧，以保护部件免受石击和水溅的影响。对于传统的GMT、LFT或D-LFT部件，则不要求使用这些表面处理方法。此外，这些表面处理方式还会增加成本和组装工步，并使对LWRT防护板的回收处理复杂化。

向精细和整合方向转变

当前UBS系统在欧洲的发展趋势是减轻重量和降低成本，同时还包括提高耐久性和声阻性。例如，CSP公司的Hillborn介绍说，该公司已经开发出了一种专利的声阻技术，以用于LWRT防护板，该技术利用了材料的固有特性以及该公司在加工技术方面的专知。他还表示，D-LFT的成型件可以做得更薄且无需使用加强肋。来自泰科纳工程聚合物公司的消息称，该公司已开发出了一种长股纤维增强的LFT粒料，以用于模压成型，其玻纤长度是通常的LFT中玻纤长度的2倍多（11～25mm），并拥有类似D-LFT的机械性能。

目前，在UBS应用方面的一个潜在竞争者是一种与片状模塑料（SMC）相关的新型直接在线热固性加工工艺，被称作“直接SMC”或“D-SMC”，它由德国的多家公司共同开发而出，包括：迪芬巴赫及其附属公司ASA、Fraunhofer ICT公司、RESPECTA Maschinenbau公司、Projekttr?ger Jülich公司、M-Base Engineering + Software公司、BYK-Chemie公司、Reichhold公司、POLYTEC Composites德国公司以及Johns Manville公司。这一被称作“DuroVision”的项目由德国联邦教育研究部发起，专注于开发一种用于纤维增强热固性塑料的直接生产工艺，该工艺允许在单一的工艺步骤中，实现混配料和部件的快速及高再现性的生产。据介绍，该技术可生产出A级表面质量的部件，并可避免传统的SMC通常面临的材料保存以及保存期限方面的约束问题。“直接SMC非常适合用在热区域，当替代铝制热防护垫时，还可节省成本。

”迪芬巴赫复合材料部门的前负责人Heinrich Ernst（已于2009年10月退休，目前是该公司的顾问）介绍说，“与采用标准的SMC相比，D-SMC技术可缩短生产节拍时间，减少材料的耗费量。基于材料良好的流动性能，还为减小部件的厚度尺寸提供了可能。”

迪芬巴赫与Fraunhofer ICT在 D-LFT复合材料技术开发方面的另一项进展是，可通过有选择性地同时模塑可设计的纤维织物，为部件上一些特定部位订制其额外要求的机械性能，从而能够以更低的成本和更大的生产灵活性，为D-LFT部件带来类似于在SMC部件上达到的高性能。该开发团队还致力于将回收材料用于D-LFT的在线混配加工中，据他们介绍，含有回收成分的订制D-LFT材料已在欧洲一些商用车上使用的UBSs中得到了应用。

下一步的发展方向又将是什么呢？CSP公司的Hillborn认为，一个主要的变化将是对多个部件的整合，这有可能是将多个部件集成为像行李箱备胎凹槽一样的结构。Henning已经预见到了车底模块的这一重要发展趋势，在此，复合材料将被用于完善整个车底结构，使其能够被集成到车身结构中。目前，许多超级跑车的整个底盘系统和动力传动管路已经采用了碳纤维增强复合材料。同时，美国的汽车制造商正在进行一项雄心勃勃的研究，他们采用由可设计的玻璃纤维织物增强的SMC去制造一个完整的复合材料车底系统，并可通过2012北美汽车标准要求。