混合空心型材技术：融合复合材料与金属实现卓越增强

注塑包覆近期在复合材料行业频现，但主要集中于制造混合复合材料。将成型连续纤维增强预浸料或预固化复合材料型材置入模腔，再用短纤增强注塑料包覆，仅在需额外增强处布局，避免过度设计、控制成本。塑料/金属混合(PMH)结构——将冲压金属子结构注塑包覆热塑性复合材料——鲜受关注。

PMH品类因欧洲3月首发新发展而扩展。称空心型材混合(HPH)技术，该发展实现高效利用挤出或焊接管状金属子结构替代冲压或冲压焊接板材，为承受高载荷PMH组件提供更高力学性能。HPH技术于4月30-5月1日在底特律郊区举办的第13届汽车工程塑料会议(AutoEPCON)北美首秀，由塑料工程师学会(SPE,美国康涅狄格Bethel)主办。

“传统”塑料-金属混合结构

PMH技术约1995年由拜耳股份公司(德国勒沃库森)开发。复合材料团队和PMH技术随拜耳化工和聚合物业务2004年剥离成LANXESS Corp.(美国匹兹堡)。

PMH将选择性穿孔冲压钢或铝板金属子结构置入注塑模具，典型选择性包覆(即金属基体非全包覆)玻纤增强聚酰胺6(GR-PA 6)。所得混合结构具设计师选定功能特征，外部含支架、肋、凸台等复合材料几何体。穿孔使热塑性复合材料流通环绕金属子结构，促进两材料强力结合，使结构兼得两全其美：兼具薄壁钣金高刚强度，又经复合材料肋防止金属屈曲稳定。此外复合材料贡献耐腐蚀、良好表面光洁度、降重、单步实现更多零件整合功能集成，省去五金件、支架和二次操作。因基体为PA 6，还具广泛耐化学性和优异韧性(冲击强度)。

PMH结构比同功能冲压钣金结构更轻、零件数大幅减(生产步骤大幅减)，却比不连续纤维增强热塑性复合材料单体力学性能更高。在空间受限、厚壁段不利场景尤为有益。大幅减少零件数和生产步骤不仅降本减占地，还减库存和质保成本。且因基体为热塑性，寿命结束可分离回收。

因可回收和性能优势，PMH技术多年用于生产各类汽车部件，从前端模组、保险杠梁等大总成到发动机舱部件。也用于非汽车应用，如直排轮、滑板车和小型越野车部件。

管状结构

任何技术均有缺点。PMH首要：金属塑料模具成本摊销(两类模具均需)可能要求中高产量车型项目。除非同平台同类车型共享模具成本，否则小众生产太贵。二、常规PMH最适用简单2D或2.5D钣金子结构，如L/C型或扁平截面。但这些结构常缺乏足够扭转强度满足高性能要求。且常规PMH无法制造闭合/管状结构(如O型截面及其他管状/方形截面)，因闭合型材在注塑高压下会坍塌。

“空心型材混合结构构想源自高载汽车结构应用清单，极望减重增功能集成，但现有PMH技术力学性能不足，”LANXESS结构应用开发工程师Joseph Aiello解释。他引横向车梁为理论理想HPH组件，因其重且含金属制众多支架等附件。横向车梁用于所有乘用车提供底盘扭转刚度。也为发动机舱穿入车内组件(如方向盘)和防火墙前投射入乘员舱组件(如仪表盘、中控台)提供安装点。早期将PMH技术用于横向车梁力学性能不足，因试图用焊接两开口L型PMH结构在包覆后形成管状(闭合)金属子结构。

“闭合型材工程公知强于开口结构，提升塑料-金属混合力学性能的逻辑起点是寻找将技术应用于圆/矩形截面空心梁管的方法，”Aiello补。

挑战一如既往：实现金属子结构与包覆其上的复合材料功能部件间高强度结合——对横向车梁等结构关键件尤为重要。团队最初研究适合包覆标准管材无需特殊设备的技术。问题变为如何在注塑机中选择性变形管材——制造凹痕/压痕——确保金属管与基体良好咬合，从而在注塑典型高压下不导致管材坍塌前提下实现金属子结构与包覆复合材料高结合强度。深入研究后，最初开发PMH技术的LANXESS同一团队也开发了HPH工艺。

基本原理：HPH用高流动、高玻纤增强PA 6“结构元件”——带特设肋/鳍外突的注塑实心管——置入钢/铝管空心中心，再置入注塑机用额外GR-PA 6复合材料包覆形成外部支架等功能组件。结构元件——包覆前插入管内——防止管材成型时坍塌，并通过成型高压下的珠压/凹陷工艺帮助成形/变形管材，从而确保金属与复合材料强力结合。该内部元件保留在管内增加结构支撑。

LANXESS报告内部肋/鳍元件甚至可设计用于穿孔钢/铝管。功能类似常规PMH技术穿孔。

为免第二模具，该模具可设计含侧腔空间，在包覆给定管材(已含结构元件)同时为下一模次管材成型结构元件。全流程据报可全自动化。

较常规PMH结构(冲压或冲压焊接子结构)，HPH结构称在可比截面、质量、厚度下提供更高扭转刚度强度和更好尺寸稳定性，仍保留LANXESS原始PMH工艺所有经典优势。

未来展望

目标HPH应用含高力学要求混合复合/金属结构：不仅横向车梁，还包括汽车座椅骨架、前端模组、卡车尾门、后视镜支架。汽车外，可用于家具、梯子甚至婴儿车。尚新无成熟商业应用，HPH据称在许多开发项目中，LANXESS持续评估机会，报告仍在完善部分技术公开以完成专利申请，将于年内提交。

HPH下一步？LANXESS称曾用PA 6/6和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)基体及碳纤维增强做PMH研究，甚至评估镁子结构，但绝大多数商业应用仍为GR-PA 6，玻纤含量30-60%。理论上相同材料组合可用于HPH，团队聚焦60% GR-PA 6。若用碳纤维增强，金属子结构需隔离(可能涂层)防电化学腐蚀。或非结构应用可用塑料或复合材料挤出/拉挤管材。