复合材料如何革新农业机械装备

提到复合材料增长市场，农业装备或许非大众首想，但或许该如此，且终将成为。毕竟，随全球人口增长，种植粮食和饲养牲畜所需资源将增加。尽管经历世纪惨烈战争和重大瘟疫，20世纪人类人口仍增长400%。当前世界人口76亿，联合国（美国纽约）预测2030年增至86亿，2050年达97亿，2100年将达112亿。农业扩张，装备市场随之增长。

当前农业装备行业地域分割显著，仅少数全球OEM处于最高产量梯队——且普遍仍低于重卡行业。然而，诸多趋势汇聚——美洲土地集约化、多地柴油车燃效排放法规收紧、减重复杂性、设计差异化作为营销工具的兴起、仍深耕金属的后向集成机械OEM变革——推动更多更大部件转向复合材料，采用更广泛的材料与工艺。随趋势深化，农业装备有望成为复合材料主要市场。

属运输范畴——但有别

首先须理解农业装备市场虽大但碎片化，及其对各地区装备生产使用的影响。

“地域性是该市场有趣因素，”LyondellBasell工程复合材料全球重点客户经理/农业市场经理Deavron Farmer解释。“得益于过去五十年集约化，美洲（尤美国、加拿大、阿根廷、巴西）最大农场动辄数万至数十万亩，常为连片耕地。鉴于面积与单一作物种植倾向，装备大型化、模块化，以高效服务日益广阔的土地。”他补充欧洲农场规模较小，装备尺寸相应适配。

发展中国家另有驱动因素。“成本——虽是普遍问题——在发展中地区尤为敏感，拖拉机可能兼作家庭进城交通工具，”Farmer补充。“虽当地农民可能使用旧式装备，但变革加速如此之快，发展中国家农民可能跨越式跳过其他地区历经数十年演进的数代装备——如消费电子领域所见。”鉴于市场地域碎片化，全球OEM如John Deere、CNH Industrial、AGCO较难创建世界车型以共享零部件降低成本（如其他运输细分领域）。这意味全球采购协议较少，制造商、模塑商、材料供应商须在各目标销售区单独认证。

另一差异在于农机设计寿命长。乘用车目标使用寿命约十年。商用车制造商针对恶劣工况车验证保修48.28万公里，长途车190万公里——后者可能仅五年达标——而自卸车、搅拌车等可运营数十年。

然而即便北美，40、50、60年农机仍在运行并不罕见。二手装备市场活跃，致使农机设计为长寿命运行。这因大部分农机终身露天作业，持续暴露于热、冷、风、湿、紫外线及作业中的石砾粉尘冲击下，材料须耐腐蚀、抗凹陷、耐候，并具化学热稳定性。

这些机械常规接触烃类燃料润滑剂、化肥农药（多为氯化或脂质基分散）。且如乘用商用车，因尾气新规发动机舱热负荷增加。加之农民长日守在拖拉机驾驶室，降噪减震（NVH）及提升舒适性需求增大。这对任何材料群都是高要求。

较低产量使复合材料成本效益不如传统材料。除小型骑乘割草机（可达汽车级年产35万台），大多装备年产仅数百至低万台量级。因新机型定制选项多、新装备大型化与新增功能增添成本复杂度。视装备类型与型号，价格可媲美新车甚至新房。事实上，进入并留守农业所需高额资本投入，已成阻碍新农民入行的最大门槛之一。

此外，复合材料带来的轻量化虽有益，但农机减重是复杂议题。一方面，高车重导致土壤压实抑制植物生长。喷雾器臂等特定应用，轻量化获益显著。为高效服务大田，臂长不断增加减少作业遍数，但需更大支撑结构防止长跨度下垂——单侧跨度可超15米。以复合材料替代铝材减重，可为OEM和农户带来实惠。

另一方面，轻量化非总有益——尤其影响车辆稳定性时。前重后轻联合收割机需尾部配重保持后轮着地。因此重量分布是确保安全效率的关键。所有因素意味农机减重远比卡车、客车、乘用车复杂，关注度亦低得多。

多材料、多工艺

鉴于农业装备从骑乘割草机、紧凑型多功能拖拉机（CUT）到打捆机、联合收割机的尺寸产量跨度，采用多种开/闭模工艺生产以热固性复合件为主，增强热塑性材料在特定应用开始崭露头角。令人惊讶的是，航空航天级自动高压釜固化碳纤维环氧预浸料是农机最新应用材料之一，用于喷雾器臂。铝/钢制臂因需大量支撑结构，长度受限。转用高性能轻量碳纤维复合材料，不仅可减少/消除支撑结构，还能制造更长臂。3D打印亦在该领域渗透——多用于工具装配夹具，亦用于量产车部件制造。

随外观装配质量、零件一致性对OEM和客户重要性上升（产品差异化与视觉品牌），装备制造商探索塑料复合材料赋予的设计自由度、零件整合、高美学优势。颜色是该细分领域视觉品牌常用手段，通过涂料、胶衣、着色聚合物实现。甚至有OEM同一车身面板结合不同涂料纹理（如浅凹点加高光）以隐磨损区划痕同时保持美观。供应链持续致力于延长涂层耐久性，并以高紫外线稳定性的薄膜和模内着色（MIC）材料取代两者。

农用复合材料绿色化

可持续性——从燃效提升到再生及植源聚合物应用——在农业领域同等重要且受青睐。有趣的是，生物基单体在农机推广比汽车更易。“对农业客户群这完全合理，”John Deere材料工程与技术经理、PLASTICS行业协会（美国华盛顿特区）品牌所有者/理事会主席兼董事Jay Olson解释。“他们用我们装备种植玉米大豆，这些商品再制成聚合物，模塑为我们为这些客户生产的新装备部件。”

当前热固性农用复合材料最常用植物产品为大豆玉米，用于不饱和聚酯树脂制片状模塑料（SMC）和团状模塑料（BMC）。2000年前后，Ashland LLC（美国俄亥俄哥伦布）推出Envirez 1807生物基不饱和聚酯（UP）树脂供复合料厂转化为SMC，卖给模塑商做农机部件——主要用于大型联合收割机侧壁面板。公司称Envirez为首款商业化含显著比例（18%）谷物衍生单体（玉米/大豆）的UP树脂。聚合物以未催化状态供应，称在SMC中提供均匀增稠响应、良好涂装性、低固化温度下良好表面特性，且较石油基聚合物价格波动更小。

另一绿色SMC产品消除涂装成本环境负担，为耐候结构UP树脂，首用于皮卡货箱可见面，现用于John Deere 8000拖拉机后处理柴油（ATD）面板。Arotran 805为Ashland与添加剂供应商Chromaflo Technologies LLC（美国俄亥俄阿什塔比拉）联合开发的抗紫外模内着色（MIC）黑色牌号，由Ashley Industrial Molding（美国印第安纳阿什利）压缩模塑。用于ATD面板等应用时，有助长期保持美观，支持拖拉机更高残值。

2018年CAMX展会上，LyondellBasell工程复合材料推出新一代SMC，面向农机、建筑/建材、电子电气市场。“行业知晓热固性复合材料在寿命终期回收有局限，”LyondellBasell工程复合材料美国区技术总监Mike Gruskiewicz解释。“在持续攻关回收同时，我们看到在SMC制造中引入可再生和再生成分，可从生命周期前端助力循环经济，有诸多益处。寻求绿色方案时，我们设定目标：性能、成型性、美学零妥协，对标石油基SMC。”

公司推出两款可持续SMC产品，均具阻燃性能。“Premi-Glas 7001牌号生成A级可涂装表面轮廓，使拖拉机引擎盖达汽车级美学，兼具阻燃应对严苛农用环境；Premi-Glas 3501提供模内着色，用于电气外壳、支架、壳体、驾驶室部件，”Gruskiewicz解释。此外3501掺入再生热塑性成分强化可持续性。两者树脂丙二醇单体均由大豆或玉米生产，称性能同石油基单体。3501含消费后工业回收料（PIR）聚对苯二甲酸乙二醇酯（rPET），经化学解聚生成对苯二甲酸再反应回聚酯树脂。虽无商业应用官宣，Gruskiewicz称7001已送样拖拉机引擎盖、联合收割机车门、车身面板。“SMC另一激动人心领域是大型柴油发动机气门室盖及油底壳，”他补充。“对比已转用热塑性的乘用车同类部件，农用工况严苛得多。如大型发动机跨度大，需更高刚度材料。”

应对极限载荷

农机行业挑战之一是复合材料须在超9000公斤载荷下保持力学性能。如一级模塑商Plastics Unlimited（美国爱荷华普雷斯顿）开发无模复合材料（TEC）成型技术，用于生产1.5×2.1米车门翻板/粮仓延伸门，承载达9072公斤，用于大型联合收割机，名义壁厚6.4-12.7毫米。TEC融合热塑性高美学耐久性与复合材料高强韧、尺寸稳定，生产A级表面且B侧贡献高比强比刚。外观A面经模内着色（MIC）丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）片材热成型而成，后成为部件B面一半模具；针对更大更复杂结构，成型过程中使用第二复合模具。后者为真空袋复合件，用UP树脂浸渍缝编短切玻璃纤维芯材。金属支架及大肋（硬质聚氨酯泡沫制）可在铺层中插入复合件内。

成品具抗紫外、耐腐蚀、设计灵活、高冲击强度抗崩裂，成本合理。A面（热塑层）可提供磨砂或亮面（纯色或透明覆盖图案，含金属、铬、木纹、迷彩甚至碳纤维网格），称景深极佳且比涂装/胶衣SMC耐用得多，微小划痕可抛光修复。非外观B面（复合层）着色平整。除联合收割机高性能粮仓延伸门，TEC工艺亦用于各类小型休闲车及农用装备挡泥板、侧护板、引擎盖、前后围护件。

农机未来何在？2016年美国爱荷华Boone农业进步展上，CNH展出行业首个全自动拖拉机概念——可播种、喷洒、收获，人类不再车上驾驶，而是通过平板远程控制监控无人装备，按预设制导路线行驶。配备车载摄像头提供实时视野及先进障碍检测，无人拖拉机可提醒操作员障碍及问题，允许选择最佳路线规避或修复。系统软件称自动规划最高效田间作业路径，助农民利用狭窄天气窗口或全天候作业提升产率，同时收集数据监测当前作物、优化未来规划。CNH称技术将助全球许多峰值季节难觅熟练劳动力的农民。过渡期装备或将结合驾驶室人工驾驶与一定自动化水平。

“农业从未偏离养活、供能、穿衣世界的根本目标，”Olson补充。“但技术——含生物技术各层面及智能系统解决方案所需材料——加速演进，以应对喂养快速增长人口的生产力挑战。农民始终是土地守护者，自然资源可持续性是我们作为行业、社区、世界成功的关键。”