汽车塑料新材料与汽车轻量化设计探讨

汽车塑料新材料与汽车轻量化设计探讨

彭志军

安徽江淮汽车股份有限公司

【摘要】　本文主要介绍了目前我国汽车塑料材料发展现状及需求情况,长纤维材料的种类㊁特点㊁优点及几种典型的轻量化方面的应用,论述了汽车轻量化与节能㊁环保㊁新材料的关系,着重围绕汽车塑料新材料应用与汽车轻量化展开论述㊂

【关键词】　复合材料　轻量化

Discussing Automobile New Plastics Material and Reducing in Weight Design

Peng Zhijun

Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.

Abstract:The text mainly introduced the development situation and requirement of automobile plastics material of our country at present,and the category,characteristics,advantage of the long fiber material,several typical application of reducing in weight.Ex⁃pounding the relationship of automobile reducing in weight and energy saving,environmental protection,new material.Pay attention to expounding the application of new plastics material and the automobile reducing in weight.

Key words:compound material　reducing in weight

随着汽车向降耗减排㊁更安全㊁更环保的方向发展,也伴随着我国汽车工业自主研发㊁自主创新㊁打造自主品牌的战略需求日益迫切,塑料在汽车方面的应用更为广泛,汽车零部件制造业,工程塑料㊁改性塑料供应商,均面临新的机遇和挑战㊂汽车塑料新材料主要围绕节能㊁环保㊁安全㊁舒适㊁成本等主题进行研究,其中能源和环保问题尤为突出㊂汽车用材轻量化是提高燃油经济性的最有效措施之一㊂

1　我国汽车工业对塑料需求浅析

我国汽车工业进入了一个高速增长的发展阶段,我国的汽车工业逐渐发展成为世界第四大汽车生产国和第三大汽车消费国㊂在汽车产业快速增长的拉动下形成了一个与汽车有关的高增长产业群,塑料产业就是这个产业群之一,作为汽车材料的重要品种,车用塑料材料产值正不断增长㊂汽车材料技术发展的主要方向是轻量化和环保化,减轻汽车自身重量是降低汽车排放㊁提高燃油效率的最有效措施之一㊂汽车的自身重量每减少10%,燃油的消耗可降低6%~8%㊂目前国外汽车自身重量同过去相比已减轻20%~26%,预计未来10年内,轿车自身重量还将继续减轻20%㊂新型轻量化塑料材料的开发与应用将继续成为汽车材料的热点㊂

塑料及其复合材料是最重要的汽车轻质材料,它不仅可减轻零部件约40%的重量,而且还可以使采购成本降低40%左右,因此近年来其在汽车上的应用迅速上升㊂据统计,世界汽车平均每辆塑料用量在2000年就达到了105kg,约占汽车总重量的8%~12%,如奥迪A2型轿车,塑料件总重量已达220kg,占材料总重量的24.6%㊂据悉,德国每辆汽车平均使用塑料制品近300kg,占汽车总消费材料量的22%左右,是世界上采用汽车塑料零部件最多的国家㊂ 近年来塑料及其复合材料在汽车中的用量持续增长㊂图1所示为美国家庭轿车塑料(含塑料复合材料)用量的增长情况㊂1977~2004年,单车塑料的用量由76kg提高到117kg,增幅达54%㊂目前,北美汽车中塑料的用量为每车118kg左右,约占整车质量的10%,预计2010年将达到136kg㊂而欧洲轿车塑料所占的比例稍高,已达整车重量的14.5%㊂虽然目前我国的车用塑料量并不很大,但未来将会有一个高速的增长㊂目前我国经济型轿车塑料用量为50~60kg,中型载货车塑料用量仅为40~50kg,重型载货车可达80kg左右㊂我国中㊁高级轿车大部分为发达国家引进车型,汽车塑料的应用量基本与发达国家20世纪90年代水平相当,为

100~130kg/辆㊂据有关方面预计,到2010年,汽车用塑料将达到128.7万吨,到2015年,汽车用塑料将达到407万吨,到2020年,汽车用塑料将达到618.6万吨㊂

图1　美国家庭轿车塑料用量增长情况

在车用塑料居前7位的塑料材料品种与所占比例如表1所示㊂目前国外汽车内饰件已基本实现塑料化,而塑料在汽车中的应用正由内饰件向外装件㊁车身和结构件扩展,今后的重点发展方向是开发结构件㊁外装件用的增强塑料复合材料㊁高性能树脂材料,并对材料的可回收性予以高度关注㊂

表1　居前7位的塑料材料品种与所占比例序 号名 称比 例

1聚丙烯21%

2聚氨酯19.6%

3聚氯乙烯12.2%

4热固性复合材料10.4%

5ABS8%

6尼龙7.8%

7聚乙烯6%

现代科技进步大大促进了塑料树脂㊁复合材料的发展,尤其在轻量化和环保化方面,新材料㊁新工艺㊁新技术不断涌现,塑料业与汽车行业沟通不断加强,给汽车设计带来更大的灵活性,加速汽车的更新换代㊂

2　长玻璃纤维增强塑料复合材料在汽车上的应用

复合材料是两种或两种以上化学本质不同的组分人工合成的材料㊂长玻璃纤维增强复合材料是目前应用较多的复合材料,是近年来逐步研究发展起来的新型塑料材料㊂长玻璃纤维增强复合材料主要种类及特点如表2所示㊂长玻璃纤维增强复合材料具有很多优点,主要表现在:

表2　长玻璃纤维增强复合材料主要种类及特点

序 号名 称长玻璃纤维增强复合材料主要特点

1玻璃钢　由环氧树脂与固化剂㊁促进剂按一定比例混合后将玻璃布粘结起来的一种复合材料㊂一般采用手糊工艺或喷射成型,可以用模具制作成各种形状,但树脂不流动

2SMC　片状模塑料(Sheet Molding Compound),是把低粘度的树脂化合物浸到玻璃纤维中而形成的连续片状预成型模塑复合材料㊂采用模压成型,能够制造带有肋㊁凸起的大型覆盖件

3TMC　厚片状模压料(Thick Molding Compound),组成与SMC相似,厚50mm以上㊂由于厚度大,玻璃纤维能随机分布,改善了树脂对玻璃纤维的浸润性㊂该材料还可以注射和传递成型,应用于大型内外装饰件

4BMC　块状模塑料(Block Molding Compound),是把树脂㊁填料㊁玻璃纤维等各种成分混炼成粒状料,采用模压成型㊂由于在混炼过程中玻璃纤维受到破坏而降低了产品的强度,所以制品强度比SMC略低

5DMC　团状模塑料(Dough Molding Compund)㊂与BMC有类似的性能和成分㊂由于具有优良的电气性能㊁机械性能㊁耐化学腐蚀性,又适应各种成型工艺,因此在汽车电器件上应用较多

6HMC　高强度模压料(Hight Molding Compound),主要用于制造汽车部件㊂HMC中不加或少加填料,采用短切玻璃纤维,纤维含量为65%左右,强度较高,用于制造中小型㊁高强度汽车零件

7XMC 高强度片状模压料的简称,也是为汽车行业专门开发的材料㊂XMC材料玻璃纤维定向分布,具有极好的流动性和成型表面,其制品强度约是SMC制品强度的3倍㊂XMC用定向连续纤维,纤维含量达70%~80%,不含填料,用于制造汽车座椅骨架㊁保险杠骨架等高强度零件

8RTM 树脂传递模塑成型(Resin Transfr Moulding)的简称㊂RTM适合制造中小批量㊁大体积零件,比SMC初期投资小,成本较低㊂由于是闭模成型,产品尺寸和外型精度较高,环境污染小㊂目前应用于重型车的高顶㊁乘用车备胎仓㊁大型导流板㊁整体驾驶室等

9GMT 玻璃纤维毡增强热塑性片材(Glass Mat Reinforced Thermoplastics),是一种用玻璃纤维针刺增强的热塑性半成品片材㊂GMT制品强度高㊁冲击韧性好,可回收利用㊂因此,应用范围不断扩大,有代替金属和热固性复合材料的趋势㊂一般应用于前端模块框架㊁汽车仪表板骨架㊁座椅骨架㊁保险杠骨架等高强度零件

10LFT LFT不仅有聚烯烃为树脂基材料的复合材料,而且有尼龙基(LFT⁃PA)㊁聚酯基(LFT⁃PBT)等各种基体的复合材料,其中尼龙LFT应用较多,主要用于有较高性能要求的零件,如加速踏板㊁电器插接盒㊁塑料齿轮㊁变速杆及座等

(1)低密度　在能源危机的社会背景下,为实现汽车节能降重的目的,结构材料中钢铁等材料所占比例将逐步下降,有色金属㊁陶瓷材料㊁复合材料㊁高分子材料等新型材料的用量将逐步上升㊂尤其是复合材料等轻型㊁新型材料取代钢铁材料已经成为一种趋势㊂据资料介绍,汽车自重减轻100kg,行驶100km可节油0.3kg,自重减轻10%,燃油的经济效益提高10%㊂要降低汽车自重除了在结构设计上下工夫外,一项重要的手段就是在汽车上大量采用复合材料㊂长玻璃纤维增强复合材料相对密度一般都在2以下,而镀锌钢的相对密度为7.9㊁铝为2.7㊂因此复合材料替代金属是减轻车体重量的有效途径,甚至是降低油耗的一种最直接方式㊂ (2)高强度长玻璃纤维增强复合材料具备较高的比强度,是以塑代钢的理想材料㊂单位质量的强度称为比强度㊂如玻璃纤维增强的环氧树脂,其比强度比钢高2倍左右㊂通过不同组分搭配的复合材料,具有很高的机械强度㊁较好的刚性以及冲击性能等,可以代替钢板制作车身覆盖件或结构件㊂

(3)耐冲击　单位质量的塑料的抗冲击性不亚于金属,长玻璃纤维增强复合材料甚至还高于金属㊂塑料制品的弹性变形特性使其具备一定的碰撞能量吸收功能,对一定速度的撞击有较大的缓冲作用,对车辆㊁行人和乘员起到一定的保护作用㊂因此,采用长玻璃纤维增强复合材料代替金属外装饰件,可以减轻外部物体(包括行人)对车身的冲击力㊂另外,塑料制品还具有吸收和衰减振动和噪声的能力,可以提高乘坐的舒适性㊂