汽車輕量化用塑料結構的應用

汽車輕量化用塑料結構的應用

塑料在現(xiàn)代汽車的制造中起著重要作用。越來越多的塑料使用在汽車上,為人們描繪了汽車向更輕、更省油和更環(huán)保發(fā)展的趨勢。1汽車用塑料制備的汽車內(nèi)飾件的特點及應用前景塑料是以合成樹脂(聚合樹脂或縮聚樹脂)為主要成分,并根據(jù)需要而添加不同添加劑所組成的混合物。它具有獨特的性能:(1)密度小100kg塑料可替代其它材料200~300kg,可減少汽車自重,增加有效載荷。(2)物理性能良好柔韌性較好,耐磨,避震,單位質量的塑料的抗沖擊性不亞于金屬,有些工程塑料、碳纖維增強的塑料性能甚至還遠遠高于金屬。(3)耐化學腐蝕性塑料對酸、堿、鹽等化學物質的腐蝕均有很強的抵抗能力,其中,聚四氟乙烯是化學性能最穩(wěn)定的材料,硬聚氯乙烯是最常用的耐腐蝕材料,它可耐質量濃度達90%的濃硫酸以及各種濃度的鹽酸和堿液。(4)設計自由度大可制成透明、半透明或不透明的制品,外觀多種多樣,表面可制作具有特色的花紋。(5)著色性好可按需要制成各種顏色。(6)加工性能好復雜的制品可一次成型,大批量生產(chǎn),效率高,成本較低,經(jīng)濟效益顯著。如果以單位體積計算,生產(chǎn)塑料制件的費用僅為有色金屬的1/10。(7)環(huán)保、節(jié)約能源可回收利用。大量采用塑料的汽車每100km節(jié)油量在0.5L以上。在現(xiàn)今交通事故不斷、乘客安全受到威脅的情況下,部分內(nèi)飾件的安全性檢驗已納入議事日程。如儀表板上表面的頭部沖擊試驗、其下邊緣的膝蓋撞擊試驗、座椅靠背的身體沖擊試驗等,均要求被檢驗的內(nèi)飾件不能碎裂,更不能碎片四濺或出現(xiàn)棱角而傷人。因此,汽車內(nèi)飾件不僅應舒適美觀,更應能保護乘客安全。為了有效合理地利用能源及原材料、降低汽車成本,不同類型轎車內(nèi)飾件使用的材料可以統(tǒng)一使用幾種材料,這樣勢必會擴大這幾種原料的生產(chǎn)規(guī)模,其材料及成本等都是最經(jīng)濟的。但塑料也存在一些缺點,如收縮率大,吸水性強,尺寸穩(wěn)定性差,難以制得高精度制品;易燃,燃燒時產(chǎn)生大量黑煙和有毒氣體,長期使用易老化、易變形等,這可以通過改性減少其缺陷。隨著汽車向輕量化方向發(fā)展,塑料在汽車上的用量日益增加。利用塑料的質輕、防銹、吸震、設計自由度大等特點,汽車用塑料結構件取得了長足的發(fā)展,并且是今后的重點發(fā)展方向之一。塑料制品不僅能夠減少汽車零件數(shù)量,在降低噪聲方面也起到了很好的作用。生產(chǎn)廠家應利用塑料制品成型的特點,盡量將多個零件一體化,減少數(shù)目,設法達到一次成型復雜零件的目的。汽車用塑料的使用量呈逐年增長趨勢,這種趨勢在今后還將繼續(xù)。汽車輕量化對于節(jié)能至關重要。過去的20年中轎車平均減重25%,從而全球每天減少汽油消耗近75萬桶,大大減少CO2排放量。汽車外裝塑料件對于汽車輕量化效果比較明顯。由于塑料的強度比金屬的差,一般需要增加零件壁厚,因此,今后有待開發(fā)既價廉、強度又高又耐高溫的塑料。隨著汽車用塑料由內(nèi)飾件向結構件、功能件的發(fā)展,以及汽車負荷的增大,單一塑料已無法滿足高應力件、高溫件和外板等部件的使用要求,今后應開發(fā)力學強度高、綜合性能好、耐熱性與耐久性優(yōu)良、壽命長及可靠性好的功能型工程塑料。2汽車用塑料材料未來會成為產(chǎn)品對于急需減輕汽車質量以提高里程表現(xiàn)的汽車制造商來說,現(xiàn)在比以往任何時候更有充分的理由使用塑料。精巧的塑料包裝有助于隱藏混合動力電池,而下一代鋰離子汽車電池采用塑料來連接分開的薄膜和外殼。即使是用來輸送連接電池和車輪的電流的電線也將包裹著工程塑料;而使用生物柴油和其他新型混合燃料的汽車則需要特殊混合樹脂來生產(chǎn)軟管和油箱。日本豐田汽車公司和美國通用汽車公司都承諾將在未來兩年推出插入式混合動力車,其中,通用汽車將著重開發(fā)與2007年亮相的Volt概念車類似的車型。豐田在本屆車展上展出的ABAT概念車進一步體現(xiàn)了混合動力車的潛力。該車不僅采用電池驅動,而且其車身結構由碳纖維制成的。復合材料更適用于低產(chǎn)量汽車,可能在2萬~4萬輛的混合動力車;而傳統(tǒng)汽車則在8萬輛或以上。因為汽車制造商能借助復合材料賦予混合動力車不同于非環(huán)保型汽車的外觀。投資開發(fā)電動車和混合動力車還給予汽車制造商改變汽車本身結構的可能性,使塑料有更好的機會與鋼和鋁等傳統(tǒng)材料相抗衡。汽車制造商將從根本上考慮改變汽車的制造方式,如汽車貨箱地板過去一般都由鋼制成。在設計電動車和混合動力車時,必須考慮到電池組的安放空間。采用塑料能使貨箱地板的設計更為靈活。鑒此,復合材料能在新的車體結構中發(fā)揮作用。通用汽車公司的Volt概念車和福特汽車公司新推出的林肯MKT概念車都采用Sabic的樹脂來生產(chǎn)車身鑲板。杜邦公司、陶氏化學公司和巴斯夫集團也在與汽車制造商合作開發(fā)基于可再生資源的塑料。塑料甚至可以使用在標準內(nèi)燃機中。美國政府新出臺的里程表現(xiàn)標準規(guī)定,到2020年,汽車制造商的所有汽車的平均油耗必須達到15km/L。這意味著所有的汽車構件都必須提升其里程表現(xiàn)。目前,國外汽車的內(nèi)飾件已基本實現(xiàn)塑料化,如今塑料在汽車中的應用范圍正在由內(nèi)裝件向外裝件、車身和結構件擴展。今后的重點發(fā)展方向是開發(fā)結構件、外裝件用的增強塑料復合材料、高性能樹脂材料與塑料,并對材料的可回收性予以高度關注。從品種上看,聚烯烴材料因密度小、性能較好且成本低,近來有把汽車的內(nèi)飾和外裝材料統(tǒng)一到聚烯烴材料的趨勢。因此,其用量會有較大的增長,預計聚丙烯今后可保持8%的年增長率,聚乙烯的增長勢頭也很強勁。3汽車塑料材質的特性塑料在汽車制造中不僅具有輕量化的作用,還具有成型容易、耐腐蝕等特性。此外,塑料制品具有彈性變形等特性,能夠吸收大量碰撞能量,對強烈撞擊有較大的緩沖性,對車輛和人員起到一定的保護作用,大大提高了車輛行駛的安全性。塑料具有的這些特性完全符合汽車工業(yè)發(fā)展的整體趨勢,因此,將會獲得更大的發(fā)展。諸多優(yōu)勢使車用材料對塑料材質青睞有加。首先,汽車材料應用塑料的最大優(yōu)勢是減輕車體的質量。一般塑料的密度在0.9~1.5,纖維增強復合材料密度也不會超過2.0,而金屬材料的密度A3鋼為7.6,黃銅為8.4,鋁為2.7。這就使得塑料材料成為汽車輕量化的首選用材。其次,塑料成型容易,使得形狀復雜的部件加工十分便利。例如:儀表臺用鋼板加工,往往需要先加工成型各個零件,再分別用連接件裝配或焊接而成,工序較多。而用塑料可以一次加工成型,加工時間短,精度有保證。三是塑料制品的彈性變形特性能吸收大量的碰撞能量,對強烈撞擊有較大的緩沖作用,對車輛和乘員起到保護作用。因此,現(xiàn)代汽車都采用塑化儀表板和方向盤,以增強緩沖作用。前后保險杠、車身裝飾條都采用塑料材料,以減輕車外物體對車身的沖擊力。另外,塑料還具有吸收和衰減振動和噪聲等作用,可以提高乘坐的舒適性。四是塑料耐腐蝕性強,局部受損不會腐蝕;而鋼材制件一旦漆面受損或者先期防腐做得不好就容易生銹腐蝕。塑料對酸、堿、鹽等抗腐蝕能力大于鋼板,如果用塑料做車身覆蓋件,十分適宜在污染較大的區(qū)域中使用。統(tǒng)計顯示:汽車一般部件質量每減輕1%,可節(jié)油1%;運動部件每減輕1%,可節(jié)油2%。國外汽車自身質量同過去相比,已減輕20%~26%。預計在未來的10年內(nèi),轎車自身的質量還將繼續(xù)減輕20%。而塑料等輕量化材料的開發(fā)與應用,在汽車的輕量化過程中發(fā)揮著重大作用。減輕汽車自重是降低汽車排放、提高燃燒效率的有效措施。汽車的自重每減少10%,燃油的消耗可降低6%~8%,為此增加車用塑料在汽車中的使用量,成為降低整車成本及其自重、增加汽車有效載荷的關鍵。塑料由于質量輕、耐腐蝕、加工容易,一直被汽車工程界所重視。塑料主要應用在襯套、裝飾件及車身某些部件上?？墒侨藗冏非蟮哪繕耸菓迷谡麄€車身外殼上。目前,已經(jīng)有人搞出了一種接近真正意義上的塑料汽車,它就是戴姆勒-克萊斯勒公司生產(chǎn)的CCV概念車,一種幾乎全塑的車身外殼。這款由克萊斯勒公司主持設計的概念車,車身外殼采用PET(聚對苯二甲酸乙二酯)材料模壓注塑成型,由4片模壓注塑成型的全塑片材(兩片內(nèi)板件、兩片外板件)在車身中心線處對接,形成整體式的車身結構。車身材料含有玻璃增強纖維,加強車身的剛度和硬度,還含有穩(wěn)定劑、沖擊延展劑、顏色等添加劑。CCV全塑車身是目前世界上最大的注塑件,要求模具精度高,成型表面平整,而且要控制塑性材料的流動性,板塊黏合要求絕對可靠,CCV解決了這些技術難題。它采用新結構、新技術、新工藝,開創(chuàng)了全塑車身的發(fā)展之路。近年來塑料在汽車中的用量迅速上升。全球平均每輛汽車的塑料用量在2000年就已達105kg,約占汽車總質量的8%~12%。塑料在轎車中的使用比例較高,如奧迪A2型轎車,塑料件總質量已達220kg,占總用材的24.6%。目前,發(fā)達國家車用塑料已占塑料總消耗量的7%~8%,預計不久將達到10%~11%。目前,車用塑料的品種包括:聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、熱固性復合材料、ABS、尼龍和聚乙烯等。隨著汽車工業(yè)朝輕量化、安全、環(huán)保和節(jié)能方向的發(fā)展,車用塑料在汽車制造中擔當著越來越重要的角色。4汽車塑料使用未來將成為一個重要的產(chǎn)業(yè)景觀塑料件被用于汽車領域始于20世紀50年代,福特汽車公司首先將聚氯乙烯溶膠應用于汽車制造業(yè)。20世紀60年代中期,已有少量的塑料件開始商業(yè)化生產(chǎn)。20世紀70年代合成樹脂工業(yè)的迅速發(fā)展,為其在汽車領域的應用打下了堅實的基礎。特別是進入21世紀,轎車工業(yè)的快速發(fā)展促使車用材料也緊緊圍繞著環(huán)保、節(jié)能、安全、舒適和低成本等展開。塑料在汽車行業(yè)的應用前景看好。目前全球不少轎車的塑料用量已經(jīng)超過120kg/輛,個別車型還要高,德國奔馳高級轎車的塑料用量已經(jīng)達到150kg/輛。國內(nèi)一些轎車的塑料用量也已經(jīng)達到90kg/輛。目前,發(fā)達國家已將汽車用塑料量,作為衡量汽車設計和制造水平的一個重要標志。塑料材料的優(yōu)勢是根據(jù)塑料的組織成分,通過添加不同的填料、增塑劑和硬化劑來生產(chǎn)所需性能的塑料,改變材料的機械強度及加工成型性能,以適應車上不同部件的用途要求。例如:保險杠要有相當?shù)臋C械強度,而坐墊和靠背就要采用柔軟的聚氨酯泡沫塑料。更方便的是,塑料顏色可以通過添加劑調(diào)出不同顏色,省去噴漆的麻煩。有些塑料件還可以電鍍,如ABS塑料具有很好的電鍍性能,可用于制作裝飾條、標牌、開關旋鈕、車輪裝飾罩等。長纖維增強熱塑性復合材料(LFT)和天然纖維復合材料將取得更廣泛的應用。汽車上使用熱塑性工程塑料可以減輕車身質量,降低生產(chǎn)和維護成本,還可以實現(xiàn)外觀產(chǎn)品(如車輪)設計上的差異。在技術方面,長纖維增強熱塑性復合材料具有成型周期短、生產(chǎn)效率高、低成本、沒有邊角廢料以及回收方便等優(yōu)勢,但是目前在國內(nèi)還沒有這種技術。該項目研究成功后可以提高中國汽車配套工業(yè)技術水平,推動塑料在汽車工業(yè)中的應用。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和車用塑料應用的不斷深入,回收和再生利用等問題已擺在了人們的面前。有數(shù)據(jù)顯示,目前中國每生產(chǎn)1輛經(jīng)濟型轎車所耗塑料為50~60kg,中高級轎車為60~100kg,輕、中型載貨車為50kg左右。如果按1輛汽車平均耗用塑料60kg計,年產(chǎn)1000萬輛汽車就需要塑料接近60萬t,也就是說,今年中國在汽車制造方面將消耗約60萬t的塑料。5汽車塑料等新材料的發(fā)展現(xiàn)狀有利于汽車工業(yè)的快速發(fā)展據(jù)預測,國內(nèi)車用塑料隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展,以及鐵路升級帶來的車箱更新,其用量將從2005年的45.5萬t增加到2010年的72萬t,2015年的213萬t,2020年的289萬t。對塑料行業(yè)來說,這既是一個發(fā)展機遇,又是一個嚴峻挑戰(zhàn)。面臨國外大牌公司占有絕對的市場優(yōu)勢、雄厚的資金實力和高水平的研發(fā)能力,國內(nèi)塑料企業(yè)要更新觀念,把握機遇,注重自主開發(fā),尋求合作共贏,努力在國際化競爭中取得優(yōu)勢。我國巳成為汽車生產(chǎn)大國。2008年我國汽車產(chǎn)量為934.51萬輛,成為全球第三大汽車生產(chǎn)國,第二大汽車消費市場。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展,以及國家對汽車提出的節(jié)能、環(huán)保新要求,為國內(nèi)塑料工業(yè)的快速發(fā)展帶來巨大的市場空間。未來汽車發(fā)展顯現(xiàn)“安全、舒適、輕量、節(jié)能”的趨勢,這將加速“汽車塑料化”的進程。塑料以其質量輕、設計空間大、制造成本低、性能優(yōu)異、功能廣泛,最終能使汽車在輕量化、安全性和制造成本等方面獲得更多的突破,從而成為21世紀汽車工業(yè)最好的選擇。特別要看到,工程塑料是當今塑料工業(yè)發(fā)展中增速最快的材料。與通用塑料相比,工程塑料具有更優(yōu)異的性能,但國內(nèi)工程塑料在汽車中的應用相對落后,如尼龍在汽車行業(yè)中的應用比例為國外的三分之二,聚碳酸酯為二分之一,聚甲醛為三分之一,熱塑性聚氨酯為五分之一,聚苯醚為三分之一。目前我國車用塑料量,經(jīng)濟型轎車每輛為50至60kg,輕中型貨車為40~50kg,載重車80kg;中高級轎車100~130kg,僅與國外上世紀90年代水平相當,而發(fā)達國家早在2002年就達到每輛300kg,塑料占到了整車質量的20%左右。據(jù)分析,我國汽車工程塑料國產(chǎn)化率低的重要原因:一是車用塑料原材料工業(yè)相對落后;二是汽車整車自主開發(fā)落后。國家發(fā)改委已制定相關政策,積極鼓勵發(fā)展自主品牌汽車,加速汽車零部件的國產(chǎn)化進程,限定汽車的燃油消耗標準。加之,由于近幾年原材料的漲價,許多整車廠為了降低成本已放開了指定供應商的限制,這些無疑給零配件生產(chǎn)廠和塑料原料供應商提供了一個絕好的發(fā)展機遇。6汽車上塑料材料將由金屬向塑料過渡塑料制品不僅能夠減少零件數(shù)量,在降低噪聲方面也起到了很好的作用。生產(chǎn)廠家應利用塑料制品的成型特點,盡量使多個零件一體化,減少數(shù)量,設法達到復雜零件一次成型的目的。汽車上塑料的使用量呈持續(xù)增長趨勢,這種趨勢在今后還將繼續(xù)。今后的車用材料將從金屬向塑料過渡的趨勢,并以PP,ABS為主導。據(jù)報導,轎車零部件消耗的熱塑性塑料正以年均超過6%的速度遞增;而由于PP價格低廉且性能優(yōu)越,汽車內(nèi)外飾件的發(fā)展將以PP為主,現(xiàn)在市場上使用的PP零件占42%的市場份額,且可望以每年8%的速度增長,特別是在汽車內(nèi)飾件方面,應用范圍正在擴大。隨著塑料新材料的不斷開發(fā),塑料在汽車應用的領域不斷擴大,主要表現(xiàn)在納米復合材料、可噴涂和免噴涂塑料、塑件鏡片和塑料玻璃、纖維增強熱塑性塑料等的應用。(1)聚合物納米復合材料復合型材料在汽車零部件上的應用也越來越顯示出強大的生命力。汽車上使用復合材料的零件主要是儀表板、門護板、頂蓋內(nèi)護板、地毯、座椅及包裹架護板等。它們基本上是由表皮(塑料、織物、地毯),隔音減振部分(泡沫或纖維)和骨架部分等組成。這種形式的零件除滿足一定的使用功能外,又使人感到舒適美觀,而且由于這些材料生產(chǎn)工藝簡單,成本低廉、適用性強而發(fā)展得比較迅速,它將是今后汽車內(nèi)飾材料的主要發(fā)展方向。尤其TPO基納米復合材料應用于汽車內(nèi)、外裝飾件,質輕、尺寸穩(wěn)定性提高、強度更高、低溫抗沖擊性能更好。TPO基納米復合材料做汽車踏腳板,已用于GM公司轎車,具有較高的硬度、質量輕、低溫下不發(fā)脆,而且容易回收等優(yōu)點。豐田公司將納米PP復合材料用于汽車前后保險杠,使原保險杠厚度由4mm減至3mm,質量減輕約1/3。豐田公司又相繼推出了用于汽車內(nèi)飾件的PP納米復合材料。納米粒子的介入,不僅改善了聚合物的強度、剛性、韌性,而且還有利于提高聚合物的透光性、阻隔性、耐熱性及防紫外線性等。由于加工簡便,效果明顯,業(yè)內(nèi)對聚合物納米復合材料的巿場前景持樂觀態(tài)度。隨著汽車向輕量化、環(huán)?；较虬l(fā)展,納米技術在生產(chǎn)中逐步應用,塑料和復合材料研究也進一步深入,可以預料,塑料將在汽車工業(yè)上的應用越來越廣泛,開發(fā)并使用全塑汽車已不是夢想,一個塑料化的汽車工業(yè)時代即將到來。(2)汽車車載板、思想車板美國通用電器公司開發(fā)的可導電PPO/PA材料使車身塑料件能與金屬沖壓件一起進行陰極電泳(即:可實現(xiàn)全在線噴涂),從而消除汽車車身非金屬件與金屬件的色差問題。此外,用于制造汽車車身板的PC/PBT材料與SLX膜通過模內(nèi)裝飾注塑成型工藝,制造塑料車身外板、前后翼子板及后舉升門等,可以達到油漆的效果,可取消油漆線,以降低生產(chǎn)成本。該技術在國外轎車車身板的生產(chǎn)中開始使用,應引起國內(nèi)同行關注。(3)車頂蓋防水玻璃纖維增強塑料的應用也有進一步擴大的趨勢。玻璃纖維增強塑料俗稱“玻璃鋼”,具有質輕、強度高、耐腐蝕、絕緣、耐瞬時高溫、傳熱慢、隔音、防水、易著色、能透過電磁波、成型方便、具有可設計性等優(yōu)點,被廣泛用于生產(chǎn)保險杠、車頂蓋、導流罩、電瓶托架、擋泥板、裙邊部件及車身殼體等。另外,由美國通用電器公司生產(chǎn)的特殊聚碳酸酯制作的前大燈鏡片,涂有防刮傷涂層,比玻璃鏡片更亮,更抗破碎,更具光學加工的準確性。美國在風擋玻璃的三層