鋁合金與鎂合金等輕金屬是引擎輕量化的主流，如果可以使用樹脂材料，將對輕量化有重大貢獻。引擎約佔車體重量的1/10，引擎活塞由鑄鐵置換成鋁合金時，減重15〜20公斤。除了燃燒室與排氣系統，引擎本體的零件幾乎均可置換成樹脂材料，如果是2.0公升等級的引擎至少可減少40公斤的重量，燃料性能可提高3%。 引擎室內的吸氣與冷卻等輔助系統的作動環境比較穩定，要求100〜130℃的耐熱性，多數可置換成樹脂材料。相較於鋁合金製的吸氣歧管、汽缸/接頭/外殼等，改用樹脂材料可以降低生產成本，可應用於量產車。 引擎本體內燃燒室外接的平衡器、轉軸、齒輪等，可置換成耐熱160℃；具耐熱性與機械強度的Polyaminoamide樹脂或Polyether Ether Ketone。由於此材料成本較高，應用受限。 引擎作動時，燃燒室與排氣系統為高溫狀態，受力大的曲軸與連桿等可動部份，很難置換成樹脂材料。汽缸本體佔引擎重量一半以上，作動時周圍溫度超過200℃，一般使用的樹脂耐熱性僅100〜130℃，只能置換成在高溫下仍滿足剛性要求的高功能性樹脂。 引擎樹脂化有兩個主要的方法，其一是改變燃燒室結構，設計不易熱傳的外圍零件，其二是選擇在高溫下具高強度的高功能樹脂。住友Bakelite的Fraunhofer研究所藉由改變設計，將汽缸本體由鋁合金置換成碳纖維複合酚樹脂，重量減少28%。已應用於德國BMW的「F650」機車；排氣量650、水冷單氣缸引擎。目前正與多家車廠洽商，預計2023〜2025年可以實用化。 汽缸內部壁面溫度大於200℃，即使是具高耐熱性的酚樹脂也難以承受。因此，汽缸內壁仍使用鋁合金，外圍使用樹脂材料，為防止內壁的摩耗，在內壁鍍上鎳與碳化矽的複合材料「NIKASIL塗佈」。利用熱流體分析，調整加熱方式，樹脂部份需承受的溫度控制在110℃左右。內壁與本體間加上分離的密封材料，再於縫隙注入不易傳熱的冷卻水。 引擎內的溫度變化劇烈，樹脂比金屬易產生大的熱應力。重複運轉使用時，會造成材料的變形與劣化。新引擎以鋁合金引擎的結構為基礎，計算引擎作動時樹脂加熱的應力。再藉由拉伸與增加厚度將應力集中於局部區域，以降低整體應力。由於應力集中區域的零件易損壞，設計時採用曲面設計，減少外形的稜角。 這種設計是以使用酚樹脂為前提，整體重量約1.7公斤，較使用鋁合金的2.35公斤減少650公克，輕量28%。新引擎經測試運轉，以最高6000轉/分，運轉5小時，重覆多次測試，與傳統的引擎有相同的功率性能。引擎樹脂化還有另外的附加價值，與配置吸音材料有相同的效果，可以減少5分貝的噪音。此外，由於樹脂零件的熱傳導率低，隔熱性高，可縮短暖機時間。 住友Bakelite試算成本，樹脂製新引擎與鋁合金製品的生產成品相當。樹脂與鋁合金的材料成本相同，碳纖維複合材料的成本高於鋁合成，唯成形性優，可降低加工與模型成本，因此最終的總成本相同。新引擎目前僅進行實驗室的測試，藉由熱履歷計算產品壽命。車輛的耐用年限達10年以上，實用化的實證測試還需經數年的安全性評估。 資料來源: 日經產業新聞 / 材料世界網編譯 加入會員 分享 轉寄 聯絡我們 延伸閱讀 橡膠改質用親水性樹脂可取代二氧化矽且輕量化10% 次世代車用新材料，可望取代金屬、玻璃進行應用 與陶瓷性能相當之環氧樹脂散熱片 添加CNF之環氧樹脂可大幅改善易脆化的缺點 適用於引擎的低噪音隔熱樹脂 熱門閱讀 從 Battery Japan 2024看鋰電池與儲能產業發展 加氫站加氫協定之研究與未來發展趨勢 半導體產業廢硫酸純化再利用 歐盟新電池法生效推動循環經濟與永續發展 由ISSCC 2024看半導體發展趨勢與記憶體運算技術探討 相關廠商 金屬3D列印服務平台 高柏科技股份有限公司 大東樹脂化學股份有限公司 台灣大金先端化學股份有限公司