图1 随着引擎罩下的工作环境越来越充满挑战性，汽车制造商及其供应商们正越来越多地青睐于耐高温的热塑性塑料部件，这些部件大多被注塑成型或采用含有注塑成型在内的混合工艺制造而成，以减轻重量、降低成本并消除二次加工，同时提高部件的集成性和生产效率，并在长期的使用寿命中提供较高的可靠性（图片来自Röchling Automotive Leifers公司）

随着引擎罩下工作环境的日益苛刻，零部件供应商需要采用更长使用寿命的材料，同时还要减轻重量、降低成本，这为几种注塑级别的、纤维增强的耐高温（半）结晶热塑性塑料带来了增长空间。

复合材料已在汽车内饰的应用上确立了其市场地位，同时还赢得了在高性能汽车、皮卡和电动汽车的外饰部件和底盘部件上的应用。但是，复合材料在发动机舱内的应用却进展缓慢。在引擎罩下，由内燃机产生的热量以及来自发动机的各种液体物质（燃油、润滑油和冷却剂等），使得发动机周边的工作环境相当苛刻。而且，随着日益严格的排放标准和燃油经济性指标推动着市场向更小型的涡轮增压汽油发动机和柴油发动机的方向发展（多数此类发动机都装有排气再循环系统），情况变得更加严峻。由于这些高效率的发动机在运行时会产生较高的热量，从而使引擎罩下的温度不断升高，同时，由于汽车正变得越来越紧凑，使得发动机舱内的可用空间非常有限，而且紧凑的前端使引擎罩下的冷却也变得更加困难。此外，汽车OEM们还延长了新汽车的承保期，这些都给零部件供应商带来了压力，从而要求他们使用具有更长使用寿命的材料，同时还要降低部件的重量和成本。

这种对性能更好、使用寿命更长且重量和成本更低的引擎罩下部件的需求，为几种注塑级别的、纤维增强的耐高温（半）结晶热塑性塑料带来了增长空间。与普通的商用热塑性塑料相比，这些树脂的化学组成使它们具有更高的耐热和耐化学性能，以及更大的韧性。

图2 油底壳模块是玻纤增强聚酰胺的一个成长中的应用领域。由这种材料制成的油底壳模块（安装在发动机上）的首次应用是戴姆勒-克莱斯勒的2004MY Actros BR 500 Class 8重型卡车，它采用巴斯夫的35%短玻纤增强PA6/6取代了原来的SMC和铸铝材料（图片来自SPE汽车部门）

此外，（半）结晶的热塑性塑料还具有更大的冲击强度且重量更轻，部件脱模后即可获得美观的外表，同时其熔体具有优良的再加工性，因而便于焊接并易于回收，所有这些特性都使其优于普通的热固性塑料。

通过与注塑成型工艺相结合，这些材料克服了重量和设计方面的局限，并取消了花费成本的后加工步骤，而这些步骤则是铝、钢和热固性塑料（如BMC）的典型生产工序，因为这些材料的成型相对困难。这种材料/工艺的组合带来了从未有过的设计自由度和部件集成性，从而能够在单一的生产步骤中，更快地生产出复杂结构的部件（循环时间缩短，且小型部件可在多型腔模具中被生产出来），并提供了出色的生产再现性（简称“R&R”）。对于中、高产量的汽车生产，这种材料/工艺的组合方式是一种理想之选，因为在中、高产量的生产中，速度是首要考虑的因素，并且可使初期较高的模具成本得到平衡。在中、高产量下，生产成本和部件成本都远远低于那些铸造的或机械加工的铝部件和钢部件。

图3 用于Actros BR 500卡车上的油底壳

在此，介绍几种纤维增强热塑性塑料在引擎罩下的应用情况。

油底壳走向高科技

引擎罩下最具挑战性的应用之一是发动机的油底壳，它不仅要接触热的芳香族碳氢化合物（这些化合物对许多聚合物材料都有腐蚀性），而且被安装在车底盘的下部，因而时常会遭受来自石头以及被轮胎溅起的砾石的冲击。在冬季，油底壳会暴露在路盐环境中，这是另一种有损于塑料和金属的化学物质。大多数的油底壳还有相当复杂的内部结构，如果是金属的油底壳，一般需要将其分解成多个较重的组成部分，并在多个生产步骤中生产出来。但是，通过注塑成型玻纤增强聚酰胺（PAs），使得这一情况发生了变化。首先，采用复合材料/铝的混合材料的油底壳模块在商用车上赢得了一席之地，而现在，全复合材料的油底壳模块正在赢得乘用车和轻型载货汽车的认可。

第一款复合材料的油底壳模块，采用了复杂的多室设计，其首次应用是戴姆勒-克莱斯勒（德国斯图加特）的2004款Actros BR 500 Class 8重卡。来自巴斯夫公司的Ultramid A3HG7，一种短玻纤增强PA6/6材料取代了SMC（该材料早先取代了铸铝）被用于这种油底壳，它使该部件的重量只有6.3kg，比原来的铝制部件轻50%，从而有助于减少温室气体的排放，改善燃油经济性。这种PA材料的油底壳还可提供只有1 dB的更静音效果，这对于满足欧洲（特别是德国）严格的噪声限制法规是非常重要的。此外，为扩展油底壳的侧围，在该注塑成型工艺中使用了可折叠式型芯模具。凭借较大的宽度，该油底壳比原来的产品能够多容纳30%的机油，从而使汽车的换油间隔时间延长了50%，这对于长途运输的带有拖车的卡车而言，意味着较低的维护、保养成本以及更长的行驶时间。与传统的金属油底壳相比，腐蚀问题也大为改善。同时，注塑成型还允许集成更多的部件和功能，减轻重量并减少成型后的组装工作。

图4 这种高度集成的、采用35%短玻纤增强PA6制成的全复合材料的油底壳，在被用于克莱斯勒的越野吉普 Grand Cherokee SUV上时，表现出了优化的抗石击性，并且还专门设计了用于60%级别爬坡的吸油通道（图片来自SPE汽车部门）

首个聚酰胺的油底壳早在6年前就已被成功推出，而来自巴斯夫和杜邦汽车部门的短玻纤增强PA6/6和PA6已在轻型和中型卡车及乘用车用油底壳上得到了越来越广泛的使用，其中包括戴姆勒公司（德国斯图加特）的2008款梅赛德斯C级柴油发动机轿车，以及福特汽车公司的2009款Excursion SUVs、Super Duty皮卡、Econoline货车以及LCF商用车。

这项进展中的技术的最新迭代，是设计一个吸油通道，以满足一辆越野汽车60%级别爬坡的需求。带有这种吸油通道的油底壳的首次应用，是在克莱斯勒集团公司的2010款越野吉普 Grand Cherokee SUV的5.7L V8 Hemi发动机上。该模块100%地采用了增强热塑性塑料，即巴斯夫专门优化配制的Ultramid B3ZG7 OSI 35%短玻纤增强PA6。它由系统供应商MAHLE北美公司采用加拿大Integrity Tool & Mould公司的模具成型而出。据说该模块的设计体现了新的部件集成水平，它组合了3个重要的组成部件：油底壳、吸油盘和吸油管。这种具有特定功能的集成模块意味着模具非常复杂，因此，以往这些组件一般是单独成型，然后通过焊接方式将它们组合成一体。

图5 随着引擎罩下温度和压力的升高，进气管（如这款由Röchling Automotive Leifers提供的进气管）需要采用更高性能的树脂和更高效的生产技术。该进气管采用了两种级别的短玻纤增强聚苯硫醚（PPS）材料，最早是被用于大众汽车公司的2L柴油发动机上（图片来自SPE汽车部门）

为了提高抗石击性以及确保部件在热油、低温和路盐环境中能够保持其力学性能，巴斯夫对基础树脂进行了优化。与替代的冲压钢、全镇静钢（quiet steel）以及铸铝部件相比，这种完全由增强塑料制成的油底壳减轻了41%的重量，节省了50%的模具成本，并取消了4道组装操作。据说，这种采用增强热塑性塑料制成的油底壳模块目前正被应用到静态发电机以及农用/非公路设备上，因此该技术渴望得到更广泛的应用。

三合为一：注射-粘接的进气管

随着引擎罩下温度和压力的增加，进气管应采用更高性能的树脂和更高效的生产工艺，在此方面的一个好例子是由位于意大利的Röchling Automotive Leifers公司开发的进气管，它被用于大众汽车公司2009 Tiguan紧凑型跨界车的2L柴油发动机上。该进气管采用了来自德国泰科纳工程聚合物公司的两种级别的Fortron短玻纤增强线性聚苯硫醚（PPS）树脂，据说该应用是玻纤增强PPS首次被成功地应用于吹塑成型工艺中。

早先采用铝和早期的塑料制成的进气管，通常是在一套模具中吹塑成型复杂的进气管，然后在另一套模具中分别注塑成型卡箍、挂耳和电缆夹，最后采用热板或振动焊接的方式，将这些注塑部件连接到吹塑成型的进气管上，而此过程还需要另外的固定装置。通过与泰科纳合作，Röchling公司开发出了一种独特的专利技术，被称作“JectBonding”，该公司将其描述为“模内组装”工艺。该工艺将以前3个独立的工艺步骤，即吹塑、注塑和焊接工艺组合成一个单一的先后完成的工艺过程，可根据部件的复杂程度，采用一副或多副模具。它取消了成型后的组装操作以及由此而产生的废品，因为比下游的焊接工艺更易于保持定位公差。这种单一的生产工艺还提高了生产的再现性，并提高了粘接的可靠性，据说其粘接强度比传统的焊接组装部件提高了20%。

该工艺从传统的吹塑成型开始。首先，向下拉伸并吹涨一个半成品的管胚。在吹涨过程中，管胚向外膨胀，直到与模具型腔壁接触，冷却后形成一个中空结构。接着，一个集成的注射单元在膨胀后仍处于热态的管件上注射成型卡箍，从而在产品脱模前，即在进气管及其功能组件之间形成高强度的粘接。由于与热的管件相接触，因此在卡箍与进气管之间会形成化学的和机械的粘接，从而产生更强、更清晰的粘接效果。

图6 生物基复合材料首次在引擎罩下的应用，是被用作丰田汽车公司2010款凯美瑞轿车中的散热器两端的水箱（上、下两端的黑色部分）。该应用采用了由杜邦公司汽车部门开发的注塑级别的短玻纤增强PA6/10，它含有40%重量比的生物基塑料，其可再生的单体成分来源于蓖麻油（图片来自杜邦汽车部门）

根据最终部件的复杂程度以及所要集成的附属部件的数量，可以采用另一种涉及第二副注塑模具的工艺方法。例如，任何需要在早期的吹塑成型过程中与进气管相粘接的附件，都必须在模具打开时在分型线上排成一条线。为了从分型线的平面方向上成型出额外的组件，作为载体的进气管首先要在一副模具中成型，然后打开模具，将仍然热的部件快速地转移到第二副注塑模具中，闭合模具，并注塑成型其余的功能组件。对于这样的产品构成，载体部件必须被设计成允许其表面的局部区域能够部分熔化，从而使额外的组件能够在此区域被注射成型，以确保较强的粘接效果。如果需要提高生产的自动化程度，以及想要采用较少的工艺步骤和模具，最好选用更简单的、只需一副模具的JectBonding成型方法。

然而，当需要更大的设计灵活性来提高部件的功能性时，采用第二副注塑模具的JectBonding方法则是更好的选择。但无论选用了这两种成型方法中的哪一种，与传统的结合了焊接工艺的成型方法相比，它们都能够提高粘接强度并节省加工成本。

由于不同的成型工艺对熔体黏度的要求不同，因此采用了两种不同级别的玻纤增强PPS。Fortron 1115LO——一种具有高熔体强度和黏度的15%玻纤增强PPS被用于进气管本体，因为这种材料的悬垂强度较高，因此向下拉伸大约1m的管胚（它比最终的部件稍长一点）不会出现断裂，而且吹涨时不会沿管壁撕裂。30%玻纤增强的PPS级别（即Fortron FX4330T7）被用于注塑成型功能组件，因为这种材料具有较高的冲击强度和韧性，以及非常好的流动性，允许在尽可能低的压力和温度下注射-粘接成型功能组件，从而减少了翘曲，并将吹穿管壁的可能性减至最低程度。这种PPS材料拥有出色的尺寸稳定性、相当低的蠕变性、类似于铝的线性热膨胀系数、固有的阻燃性，以及在高温（高达240℃）下的高硬度和高刚性、出色的抗化学性、低吸湿性和易加工性。

图7 大多数的滤清器组件是被安装在发动机的下部相对较冷的环境中，但这款用于克莱斯勒2011 Pentastar发动机上的全新设计的滤清器，则可以成功地深入到发动机的空隙处，这要归功于热稳定性优良的35%短玻纤增强PA6/6。通过在聚合反应过程中对该材料进行改性，提高了材料对热乙二醇的抗水解性能，以及在热空气中的抗热老化性能（图片来自SPE汽车部门）

采用JectMolding工艺加工PPS，循环周期更快、加工可靠性更高、成本更低且减少了二次操作。此外，该复合材料的部件还减轻了30%的重量，从而有助于减少燃油消耗和CO2的排放。

生物基复合材料的散热器端部水箱

引擎罩下新的最具特色的应用之一是一对生物基复合材料的散热器端部水箱，该部件的首次应用是丰田汽车公司的2010 款凯美瑞轿车。由杜邦汽车部门提供的Zytel RS短玻纤增强PA 6/10中含有40%的生物塑料（按重量计算），用于这种生物塑料的可再生单体源自蓖麻油。这是生物基复合材料的部件在条件苛刻的引擎盖下的首次应用，它需要耐受高温和化学物质的影响。以往，生物聚合物在汽车上的应用大多数是在使用环境不很苛刻的驾驶舱内部，通常是用作装饰部件或半结构的内部装饰条。而作为散热器的端部水箱，需要在整个使用寿命期间内暴露于热乙二醇和路盐环境中，并且必须具有出色的力学性能以及优良的耐热性和耐化学性。此外，它们还必须保持紧密的尺寸公差，以防止产生裂缝而引起散热器中液体的泄漏。该应用是由杜邦公司与系统供应商及材料加工商DENSO公司（位于日本Kariya）联合开发的，他们还制造了用于该部件的注塑模具。

据杜邦汽车部门介绍，由MarketTools公司所做的一项研究表明，65%的美国消费者表示，他们不仅愿意购买由可再生材料制成的产品，而且愿意为此类产品支付更多的费用。实际上，这种新级别的PA材料是杜邦目前已商业化的越来越多的可再生材料中的一种，其每一种生物基材料都全部或部分地源自农业原料，如谷物、大豆、蓖麻、甘蔗或小麦等。该公司表示，由于这些植物能够在它们的生命周期中吸收CO2，因此采用这些生物材料制成的部件所产生的碳足迹要低于那些采用传统的石油基材料的部件。

图8 随着引擎罩下温度的升高，即使是相对简单且静止的部件，对其性能的要求也在不断提高，例如，这款用于凯迪拉克CTS跑车中的2010 Ecotec 2L涡轮增压发动机上的隔声发动机盖。经特殊配制的35%短玻纤增强PA共聚物提高了该发动机盖的使用温度，同时其抗热老化性能也提高了一倍（图片来自SPE汽车部门）

提高冷却系统的热容量

由于在引擎罩下几乎无处不在，因此对冷却系统部件的耐热要求也在提高，这可由安装在克莱斯勒的2011款 Pentastar发动机上的新型发动机用机油滤清器组件得到证明。通常，大多数的机油滤清器组件被安装在发动机的下部，这些部位相对较冷但不易接近，而这种机油滤清器可以深入到发动机的空隙处，这是因为它采用了一种特殊配制的35%短玻纤增强PA6/6。由系统供应商和材料加工商Hengst北美公司成型的这种机油滤清器，取消了诸多的组件，同时减轻了43%的重量。此外，它还帮助克莱斯勒节省了超过60%的直接成本，并节省了“从硬件到数量”的间接成本，这要归因于该部件较大的可靠性。此外，当使用寿命结束后，这种塑料组件能够燃烧用于能量回收，这对于以前的金属系统是不可能的。

该应用成功的关键在于采用了巴斯夫新的Ultramid A3WG7 HRX BK PA 6/6，这种热稳定级别的材料由于在聚合反应过程中得到改性，因而提高了与热的乙二醇（120~130℃）接触时的抗水解能力，同时延长了在热空气中的热老化寿命。该公司介绍说，其他的改性措施则减小了热膨胀性，提高了焊接强度，这些对于与热油和冷却剂接触的部件而言都是非常重要的性能。

保持长久的美观性：涡轮增压发动机盖

相对简单的静止部件对温度和性能的要求也在不断提高，一个好的例子就是通用汽车公司的Cadillac CTS跑车上使用的2010MY Ecotec 2L涡轮增压发动机的罩盖，它具有隔声的作用。除了暴露在热油、冷却剂和路盐环境中外，该汽车制造商还要求发动机盖能够承受180℃的连续使用温度以及200℃的高温。其他的要求包括出色的表面美观性、阻燃性以及不到1min的成型周期以满足成本目标。

“在我们的涡轮增压及其他高温应用中，我们最常寻找的材料是其连续使用温度范围要高于标准的尼龙材料。” 通用Power Train Air Delivery 集团的高级项目工程师Shawn Owen说，“所以，我们一直在使用PPA这种能够同时兼顾成本、表面美观性和加工性要求的材料。一段时间以来，我们还一直在寻找替代材料。”

幸运的是，最近由杜邦汽车部门实现了商业化的一个新技术平台提供了一种解决方案。归功于一种新的聚合物改性/添加剂组合（该公司将其称作“Shield技术”），使得杜邦对其一系列PA和PPA产品的性能进行了扩展。

通用汽车公司是第一家使用了这些材料中的一种的汽车制造商。“从我们的产品发布，到从这种不同寻常的材料上获得收益，通用汽车公司仅用了90天的时间。” 杜邦汽车部门的OEM高级客户经理Terry Cressy说，“这种创新技术得到采纳的速度，充分说明了强强合作能够将创新快速且低成本地推向市场。”

用于CTS静音发动机盖的材料级别是Zytel Plus PLS 95G35DH树脂，这是一种专利的含35%短玻纤增强成分的PA共聚物，其连续使用温度和最高使用温度分别是210℃和230℃，从而轻易地满足了发动机盖提升的温度要求。更重要的是，该级别的材料具有双倍于传统PA甚至某些高成本的特殊热塑性塑料的耐热老化性能，因而具有更长的使用寿命。该公司还表示，较高的流动特性使得该材料能够比其他的特殊PA更快更方便地加工，同时还可确保良好的表面美观性。

Shield技术涵盖了新的聚合物主体成分以及聚合物的改性剂和特殊的添加剂。据介绍，杜邦汽车部门申请了有关Shield技术的20多个专利应用，并称其是30年来最重大的PA技术进步。

“该新产品是为低成本地改善材料的性能，特别是耐久性，以满足汽车行业的使用要求而所做研发的多项技术突破的结果。”杜邦 Zytel PA 产品全球技术经理Bob Lawton说，“这些化学成分的综合作用为材料的耐久性带来了令人吃惊的变化。我们正在考察将杜邦的Shield技术应用于其他的聚合物上，以使它们的性能得到显著提高。”该公司还表示，他们正在考虑将组合了Shield技术的高性能材料用于其他的引擎罩下部件，如油底壳和变速器壳体、机油滤清器组件和摇臂外壳等。

由加拿大的模塑成型商和模具制造商Camoplast公司生产的这种新型CTS发动机盖为通用汽车公司节省了30%的成本，与以前的PPA级别相比，它使发动机盖的使用寿命延长了一倍，并改善了其表面美观性。