汽車塑料新材料與汽車輕量化設(shè)計探討_圖文

1、汽車塑料新材料與汽車輕量化設(shè)計探討隨著汽車向降耗減排、更安全、更環(huán)保的方向發(fā)展，也伴隨著我國汽車工業(yè)自主研發(fā)、自主創(chuàng)新、打造自主品牌的戰(zhàn)略需求日益迫切，致使塑料在汽車方面的應(yīng)用，諸如其零部件制造業(yè)，工程塑料、改性塑料供應(yīng)商，均將面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。我國汽車工業(yè)對塑料需求淺析我國汽車工業(yè)進(jìn)入了一個高速增長的發(fā)展階段，我國的汽車工業(yè)逐漸發(fā)展成為世界第四大汽車生產(chǎn)國和第三大汽車消費國。在汽車產(chǎn)業(yè)快速增長的拉動下形成了一個與汽車有關(guān)的高增長產(chǎn)業(yè)群，塑料產(chǎn)業(yè)就是這個產(chǎn)業(yè)群之一，作為汽車材料的重要品種，車用塑料材料產(chǎn)值正不斷增長。汽車材料技術(shù)發(fā)展的主要方向是輕量化和環(huán)?；?、提高燃油效率的最有效措施之一。汽

2、車的自身重量每減少10%，燃油的消耗可降低6-8%。目前國外汽車自身重量同過去相比已減輕20-26%，預(yù)計未來10年內(nèi)，轎車自身重量還將繼續(xù)減輕20%。新型輕量化塑料材料的開發(fā)與應(yīng)用將繼續(xù)成為汽車材料的熱點。塑料及其復(fù)合材料是最重要的汽車輕質(zhì)材料，它不僅可減輕零部件約40%的重量，而且還可以使采購成本降低40%左右，因此近年來其在汽車上的應(yīng)用迅速上升。據(jù)統(tǒng)計，世界汽車平均每輛塑料用量在2000年就達(dá)到了105kg ，約占汽車總重量的8-12%，如奧迪A2型轎車，塑料件總重量已達(dá)220kg ，占材料總重量的24.6%。據(jù)悉，德國每輛汽車平均使用塑料制品近300kg ，占汽車總消費材料量的22%左

3、右，是世界上采用汽車塑料零部件最多的國家。目前，國外發(fā)達(dá)國家和地區(qū)車用塑料已占塑料總消耗量的7-11%。雖然目前我國的車用塑料量并不很大，但未來將會有一個高速的增長。目前我國經(jīng)濟(jì)型轎車塑料用量為50-60kg ，中型載貨車塑料用量僅為40-5-kg ，重型貨車可達(dá)80kg 左右。我國中、高級轎車大部分為發(fā)達(dá)國家引進(jìn)車型，汽車塑料的應(yīng)用量基本與發(fā)達(dá)國家上世紀(jì)90年代水平相當(dāng)，為100-130kg/輛。據(jù)有關(guān)方面預(yù)計，到2010年，汽車用塑料將達(dá)到128.7萬噸，到2015年，汽車用塑料將達(dá)到407萬噸，到2020年，汽車用塑料將達(dá)到618.6萬噸。在車用塑料居前7位的塑料材料品種與所占比例大致為

4、：聚丙烯21%、聚氨酯19.6%、聚氯乙烯12.2%、熱固性復(fù)合材料10.4%、ABS 8%、尼龍7.8%、聚乙烯6%。目前國外汽車內(nèi)飾件已基本實現(xiàn)塑料化，而塑料在汽車中的應(yīng)用正由內(nèi)飾件向外裝件、車身和結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展，今后的重點發(fā)展方向是開發(fā)結(jié)構(gòu)件、外裝件用的增強(qiáng)塑料復(fù)合材料、高性能樹脂材料，并對材料的可回收性予以高度關(guān)注?，F(xiàn)代科技進(jìn)步大大促進(jìn)了塑料樹脂、復(fù)合材料的發(fā)展，尤其在輕量化和環(huán)?；矫?，新材料、新工藝、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，塑料業(yè)與汽車行業(yè)溝通不斷加強(qiáng)，給汽車設(shè)計帶來更大的靈活性，加速汽車的更新?lián)Q代。以上是就目前我國汽車工業(yè)對塑料的需求做的一點分析。本屆（第五屆）汽車塑料論壇主要圍繞新材料（主

5、要是復(fù)合材料）的研發(fā)及在汽車上的應(yīng)用進(jìn)行交流探討，主要議題及主講人如下：1）全球金融危機(jī)對汽車塑料零部件行業(yè)的影響及應(yīng)對策略-鄭塏，秘書長，中國工程塑料工業(yè)協(xié)會 2）長玻纖增強(qiáng)塑料復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用-朱熠，材料主管工程師，中國第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心3）低排放，更環(huán)保的綠色解決方案-匡剛軍，汽車市場 OEM 經(jīng)理，塞拉尼斯（中國）有限公司 TICONA 工程塑料部門4）復(fù)合材料的不同材料概念和新的設(shè)計理念-張汝光教授，著名復(fù)合材料專家，上海玻璃鋼研究所 5）長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料及在歐洲汽車上應(yīng)用-蔣鼎豐，高級工程師，首席代表，朗基爾汽車零部件有限公司6）助劑在SMC/BMC汽車件中的應(yīng)

6、用-游宇斐，技術(shù)服務(wù)經(jīng)理，畢克化學(xué)7）用于汽車功能結(jié)構(gòu)件環(huán)氧碳纖維復(fù)合材料及加工技術(shù)-陳斌，技術(shù)銷售經(jīng)理，Argosy International Inc8）REACH 以及其對歐盟有害化學(xué)物質(zhì)管控趨勢的影響-云大陸，化學(xué)分析部高級經(jīng)理，必維國際檢驗集團(tuán)9）彈性體在汽車中應(yīng)用的解決方案-彭樹文博士，高級產(chǎn)品開發(fā)專員，陶氏化學(xué)太平洋（新加坡）私人有限公司10）雷騰在汽車零件上的應(yīng)用-林盟竣, 汽車市場發(fā)展專員, 雪佛龍菲利普斯化工國際有限公司11）新型聚酯工程塑料的研發(fā)和在汽車中的應(yīng)用-魯夢石博士，高級技術(shù)經(jīng)理, 霍尼韋爾(中國 上海特殊材料實驗室12）基于Moldflow 的汽車塑料件翹曲變形

7、優(yōu)化策略-姜勇道先生，中國區(qū)技術(shù)經(jīng)理，Moldflow13）車用塑料低成本應(yīng)用模式-侯兆平，內(nèi)飾件主任工程師，上汽通用五菱汽車股份有限公司 下面結(jié)合目前江淮公司現(xiàn)狀及如何引進(jìn)新技術(shù)、新工藝、新材料方面作幾點闡述。長玻纖增強(qiáng)塑料復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用復(fù)合材料是兩種或兩種以上化學(xué)本質(zhì)不同的組分人工合成的材料。長玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料具有很多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在：1、低密度 在能源危機(jī)的社會背景下，為實現(xiàn)汽車節(jié)能降重的目的，結(jié)構(gòu)材料中鋼鐵等材料所占比例將逐步下降，有色金屬、陶瓷材料、復(fù)合材料、高分子材料等新型材料的用量將逐步上升。尤其是復(fù)合材料等輕型、新型材料取代鋼鐵材料已經(jīng)成為一種趨勢。據(jù)資料介紹，汽車自重

8、減輕100kg，行駛100km 可節(jié)油0.3kg，自重減輕10%，燃油的經(jīng)濟(jì)效益提高10%。要降低汽車自重除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計上下工夫外，一項重要的手段就是在汽車上大量采用復(fù)合材料。長玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料比重一般都在2以下，而鍍鋅鋼的比重為7.9、鋁為2.7。因此復(fù)合材料替代金屬是減輕車體重量的有效途徑，甚至是降低油耗的一種最直接方式。2、高強(qiáng)度 長玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料具備較高的比強(qiáng)度，是以塑代鋼的理想材料。單位質(zhì)量的強(qiáng)度稱為比強(qiáng)度。如玻纖增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂，其比強(qiáng)度比鋼高2倍左右。通過不同組分搭配的復(fù)合材料，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度、較好的剛性以及沖擊性能等，可以代替鋼板制作車身覆蓋件或結(jié)構(gòu)件。3、耐沖擊 單位質(zhì)量

9、的塑料的抗沖擊性不亞于金屬，長玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料甚至還高于金屬。塑料制品的彈性變形特性使其具備一定的碰撞能量吸收功能，對一定速度的撞擊有較大的緩沖作用，對車輛、行人和乘員起到一定的保護(hù)作用。因此，采用長玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料代替金屬外裝飾件，可以減輕外部物體（包括行人）對車身的沖擊力。另外，塑料制品還具有吸收和衰減振動和噪聲的能力，可以提高乘坐的舒適性。 4、耐腐蝕 塑料耐腐蝕性強(qiáng)，局部受損不會腐蝕，而鋼材制件如果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。用塑料做車身覆蓋件十分適宜在污染大的地區(qū)中使用。目前長玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料用的最多地方如下圖一所示。 圖一幾個典

10、型的應(yīng)用：1） 汽車備胎倉用復(fù)合材料代替鋼板做備胎倉有較好的抗碰撞反應(yīng)性能，不易產(chǎn)生裂解，設(shè)計自由度和功能綜合集成度高，比鋁減重約25%，比鋼減重50%，成本較少，一般比鋁少40%，比鋼少20%，集體粘接性能好，噪聲阻尼減振明顯，而且環(huán)保，能實現(xiàn)循環(huán)利用，在歐洲應(yīng)用已超過10多年。如圖二所示 圖二2）發(fā)動機(jī)艙前端模塊一般汽車發(fā)動機(jī)艙前端模塊都有20個左右的金屬零件和塑料零件組成，不但裝配復(fù)雜、成本高，而且由于裝配誤差的積累造成質(zhì)量問題，改為復(fù)合塑料件后，只有一個模壓件就可以代替20個零件，不需要裝配，使用效果良好。長玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料制成的發(fā)動機(jī)艙前端模塊，將汽車前端系統(tǒng)高度集成，具有更好的抗沖

11、擊性能，降低部件重量，改變傳統(tǒng)汽車裝配工序，大幅度降低部件成本。如圖三所示 圖三3）座椅骨架用復(fù)合塑料制造的座椅骨架，乘坐舒適性、安全性好，可以將功能綜合，與鋼骨架相比，重量減輕，與鋁骨架相比，成本降低。如圖四、圖五所示汽車輕量化設(shè)計探討全世界汽車工業(yè)的發(fā)展面臨著三大問題：油耗、環(huán)保和安全。針對這些問題，各國都制定了相應(yīng)的法規(guī)和提出了有效的改進(jìn)措施。汽車輕量化可大幅度降低車的自身質(zhì)量，對節(jié)能減排有著重要意義，專用汽車輕量化是當(dāng)前發(fā)展趨勢。1） 汽車輕量化和節(jié)能節(jié)約能源特別是石油資源，已是一場不可避免的客觀挑戰(zhàn)，特別是1973年的石油危機(jī)，觸發(fā)石油價格上升至4倍以上，現(xiàn)如今，國際原油價格持續(xù)上漲

12、，節(jié)約汽車燃油消耗已是一項長期的任務(wù)，也是汽車制造業(yè)不可回避的新課題。其技術(shù)內(nèi)容是多方面的，如提高發(fā)動機(jī)效率、改進(jìn)汽車造型以降低風(fēng)阻系數(shù)、改進(jìn)汽車輪胎等，而對汽車材料的要求則主要來自汽車輕量化，汽車的油耗主要取決于發(fā)動機(jī)的排量和汽車的總質(zhì)量。汽車的發(fā)動機(jī)的功率主要消耗在克服汽車行駛阻力上。汽車行駛阻力由空氣阻力、滾動阻力、加速阻力和爬坡阻力等組成?？諝庾枇χ饕c車身的形狀、迎風(fēng)面積等有關(guān)，特別在高速行駛時關(guān)系更大，但它與整車的總質(zhì)量無關(guān)。而除空氣阻力以外的滾動阻力、加速阻力和爬坡阻力均與整車的總質(zhì)量成正比，所以減輕自身質(zhì)量，是減少上述三種阻力的重要因素，也是降低燃油消耗的有效措施。 圖四 圖五

13、采用輕量化材料就能在汽車載荷不變的條件下，盡可能降低整車重量，從而顯著降低汽車燃油油耗。在2006年所產(chǎn)車輛的“生命周期”(生產(chǎn)、使用與回收期內(nèi)，鋁的使用可節(jié)約一次能源(原油600×105kL。國家“十一五”汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略第10條規(guī)定：“汽車產(chǎn)業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)要注重發(fā)展和應(yīng)用新技術(shù)，提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性。2010年前，乘用車新車平均油耗比2003年降低15以上?！睘榇?，汽車應(yīng)平均減輕質(zhì)量10以上。自20世紀(jì)70年代末以來，汽車的自重逐年減輕，以美國的汽車為例，80年代初中型專用汽車的平均自重為1520kg，90年代初下降到1475kg，新世紀(jì)初下降至1230kg，20世紀(jì)末和本世紀(jì)初世界

14、各國先后出現(xiàn)了l00km 油耗3L 車。這類車的自身質(zhì)量大都為750kg-850kg。2） 汽車輕量化和環(huán)保汽車排放導(dǎo)致的空氣污染正嚴(yán)重地威脅全球環(huán)境，據(jù)國際能源署(International Energy Agency的研究，2006年在人類活動排放的溫室氣體總量中，交通運輸業(yè)排放的占19，而汽車排放的又是主要的。因此，減少汽車排放占著重要地位，人類正在尋求盡量降低汽車環(huán)境污染的解決措施。然而，汽車數(shù)量的增長一直在增加環(huán)境的負(fù)荷?，F(xiàn)代汽車工業(yè)正在面臨巨大的挑戰(zhàn)，各汽車生產(chǎn)廠家也正努力探索各種解決問題的方法。汽車在標(biāo)準(zhǔn)公路上行駛時，車的油耗與排放物的82以上是由車的自身質(zhì)量造成的。因此，通過降

15、低汽車重量被人們認(rèn)為是解決上述問題的最有效方法。因為燃油經(jīng)濟(jì)性的提高，意味著溫室氣體排放量的相應(yīng)減少。黑爾姆斯(Helms的研究顯示，2004年運輸業(yè)的溫室氣體排放總量為76×105kt，倘若具有同樣性能的輕型車輛全部取代現(xiàn)有的車輛，那么在其使用期內(nèi)有望減少約6.6×105kt 的溫室氣體排放。國際鋁業(yè)協(xié)會(International Aluminimn Institute的有關(guān)資料顯示：2006年全世界共生產(chǎn)6500萬輛乘用車與輕型載物卡車，由于鋁的采用所產(chǎn)生的減重效果，使二氧化碳的減排量達(dá)到1.5×105kt 碳當(dāng)量。輕量化除了能使油耗降低以外，車輛性能也在提

16、高。在同樣的功率輸出下，較輕的車重對于發(fā)動機(jī)來說就是較輕的負(fù)載，使汽車的操控穩(wěn)定性也有所提高。汽車輕量化可以提高其動力性和舒適性，當(dāng)然，汽車自身質(zhì)量的減輕也是有“度”的。否則安全性也會有所下降，但這個“度”內(nèi)，安全性不但不會降低，反而會有所提高。3） 汽車輕量化和新材料汽車消費者希望汽車的作用和功能繼續(xù)完善。為滿足消費者的需求，汽車的數(shù)量和重量均有增加的趨勢。另外，交通環(huán)境問題逐年惡化，導(dǎo)致大量嚴(yán)重社會問題，諸如日益增加的交通事故等。為克服這些問題，汽車安全法規(guī)越來越嚴(yán)厲。為滿足這些法規(guī)需要，汽車安裝了很多保障安全的設(shè)施，這也致使汽車的重量有所增加。汽車重量因各種原因而逐漸增加，同時，汽車減重

17、的呼聲也日漸高漲。每家汽車公司都在努力降低汽車車體的重量，他們既采用獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)技術(shù)，也進(jìn)一步優(yōu)化材料設(shè)計，這里著重對輕量化材料的應(yīng)用進(jìn)行說明。通過優(yōu)化材料設(shè)計而降低車體重量的工藝方法主要有以下兩點：（1）以低密度材料替代鋼鐵材料，如使用低密度的鋁和塑料等；（2）使用高強(qiáng)度材料降低鋼板厚度規(guī)格。使用低密度材料因使汽車制造成本增加而往往應(yīng)用于一些豪華車和特種車輛的制造，如跑車等運動車。高強(qiáng)度鋼因為其良好的經(jīng)濟(jì)性而得到汽車制造商的廣泛關(guān)注。目前可用來減輕汽車自重的材料有兩大類：一類是高強(qiáng)度材料，如高強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度不銹鋼；另一類是輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復(fù)合材料等。2005年

18、，全球運輸業(yè)耗用的鋁占鋁消費總量的30左右。2000年汽車的含鋁量為100kg/輛120kg/輛，而2006年則上到110kg/輛145kg/輛。目前，在汽車材料的使用上鋼鐵材料仍將保持相對穩(wěn)定的主導(dǎo)地位。但是，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，主要變化趨勢是高強(qiáng)度鋼的用量將有較大增長，而鑄鐵和中、低強(qiáng)度鋼的比例將會逐步下降。汽車使用的高強(qiáng)度鋼主要為板材與管材，它取代普鋼、鑄鐵用于車身零件和其他結(jié)構(gòu)件。如北美開發(fā)的PNGVClass級專用汽車，其車身全部采用高強(qiáng)度鋼，質(zhì)量只有2l8千克，與全鋁車身相當(dāng)。事實上，高強(qiáng)度鋼已成為頗具競爭力的汽車輕量化材料，它在抗碰撞性能、耐蝕性能和成本方面較其他材料仍具有較大的優(yōu)