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塑料如何應(yīng)對(duì)汽車材料新訴求

2017-11-7 8:32:21

塑料如何應(yīng)對(duì)汽車材料新訴求

基于材料對(duì)社會(huì)發(fā)展的作用，人們已經(jīng)把信息、能源和材料技術(shù)并列為現(xiàn)代文明和生活的三大支柱，其中，材料又是能源和信息技術(shù)的基礎(chǔ)。衡量一個(gè)國(guó)家的科技水平，往往也體現(xiàn)在材料技術(shù)的先進(jìn)與否。汽車制造業(yè)作為全球最大的產(chǎn)業(yè)，被社會(huì)各界稱之為“高新科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)場(chǎng)”，在這場(chǎng)材料技術(shù)進(jìn)步中將會(huì)當(dāng)仁不讓地繼續(xù)扮演重要角色。
新材料技術(shù)研發(fā)必須解決以下問題，才有可能推動(dòng)在汽車上的應(yīng)用：一是可回收再利用性。汽車上大約有1/4的材料無法回收和再利用，其中：橡膠占1/3、塑料占1/3、玻璃及纖維合占1/3；無法滿足與循環(huán)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的要求。

二是減少材料的種類。目前汽車上使用的材料（尤其是由高分子材料組成的塑料）高達(dá)幾十種，材料生產(chǎn)工藝不同，通用性較差，不利于回收和循環(huán)再利用。

三是低成本。制約汽車上使用新材料的重要因素就是成本，降低成本才是獲得在汽車制造業(yè)通往量產(chǎn)的必然趨勢(shì)。

四是縮短制作周期，提高生產(chǎn)效率。新材料，如主要用于車身較大面積的覆蓋板的高性能工程塑料、玻璃纖維增強(qiáng)材料和碳纖維增強(qiáng)材料的加工工藝相對(duì)復(fù)雜，加工周期比較長(zhǎng)。這也同樣是影響和制約汽車制造業(yè)采用這些新材料的重要因素。

可實(shí)現(xiàn)輕量化的材料

汽車輕量化是指在保證汽車強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地減輕汽車的整備質(zhì)量，以此來改善燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)減少?gòu)U氣排放的污染。可以實(shí)現(xiàn)輕量化的材料種類非常多，金屬材料有高強(qiáng)度鋼板、新型鑄鐵工藝、合金材料（鋁、鈦、鎂及稀土金屬等）、粉末冶金材料等；非金屬材料則有工程塑料、碳/玻璃纖維復(fù)合材料、鋁基復(fù)合材料、蜂窩夾層材料、橡膠材料等，其中，工程塑料在汽車上的應(yīng)用最為廣泛。

從全球看，工程塑料正在向高性能、低成本及綠色化方向發(fā)展。技術(shù)突破多以材料的高性能化、多功能化、智能化為目標(biāo)，從而降低生產(chǎn)成本、延長(zhǎng)使用壽命，提高產(chǎn)品的附加值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。汽車是工程塑料應(yīng)用較多的領(lǐng)域，大概占14%左右。用工程塑料代替各種昂貴金屬材料在汽車上廣泛應(yīng)用，可大幅度地降低車輛裝備質(zhì)量，同時(shí)還提高了汽車設(shè)計(jì)的靈活性和造型的美觀性，降低了零部件加工、裝配過程的費(fèi)用。

據(jù)長(zhǎng)城汽車汽車材料工程研究院宋艷嶺介紹，目前，非金屬材料占車身總重約30%~35%左右，共計(jì)約350~400Kg；其中，塑料材料130~150Kg，彈性體材料50~70Kg。而且，隨著車型檔次提高，工程塑料應(yīng)用增加。如：ABS及其合金和改性PP材料主要應(yīng)用于內(nèi)外飾零部件，隨車型價(jià)位增加，ABS及其合金應(yīng)用比例逐漸增加；PA材料主要應(yīng)用于動(dòng)力、底盤零部件及結(jié)構(gòu)件，約占整車塑料的20%，對(duì)聚酰胺而言，汽車工業(yè)是最大的消費(fèi)市場(chǎng)。；其他類塑料材料（聚酯類、POM、PC等）主要應(yīng)用于電子電器零部件及結(jié)構(gòu)件，約占整車塑料的15%左右。

工程塑料在汽車的具體應(yīng)用案例也不勝枚舉。如荷蘭皇家帝斯曼集團(tuán)帝斯曼AkulonUltraflow聚醯胺6注塑生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼顯著減輕汽車重量。標(biāo)致508將是首個(gè)受益于帝斯曼創(chuàng)新解決方案的車型。新型塑料油底殼比原先使用的金屬油底殼輕60%。新型油底殼選用了AkulonUltraflowK-FHG7品級(jí)，一款35%玻纖加強(qiáng)聚醯胺6材料，該材料具有很高的流動(dòng)性和熱穩(wěn)定性。

歐洲一家整車廠商正將來自贏創(chuàng)的VESTAMID®HTplus聚鄰苯二甲酰胺（PPA）材料應(yīng)用于變速桿零件的批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的變速桿組件是由金屬制成的。PPA對(duì)離合器系統(tǒng)中通常使用的潤(rùn)滑劑和汽油具有防滑特性，除具有較高的耐化學(xué)性，由制成的模件還具有極高的尺寸穩(wěn)定性和卓越的機(jī)械性能，如硬度和拉伸強(qiáng)度。

塞拉尼斯公司的高性能Fortron聚苯硫醚塑料（PPS）正被用于大陸集團(tuán)研發(fā)生產(chǎn)的協(xié)助安全駕駛的平視顯示器，該塑料堅(jiān)硬且耐高溫，具有極小的容許誤差，能實(shí)現(xiàn)各種組件的精確尺寸。

另一方面，汽車新技術(shù)的發(fā)展也推出工程塑料的發(fā)展。如近年汽車發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的趨勢(shì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)周邊材料對(duì)耐溫性的要求更高，推動(dòng)了高耐溫工程塑料的研發(fā)熱潮。

朗盛公司在K2013上推出兩種Durethan聚酰胺系列的熱穩(wěn)定體系，即XTS1和XTS2，主要特點(diǎn)是將這些高性能熱塑性塑料的連續(xù)使用溫度提高60℃以上。首款XTS1材料牌號(hào)是聚酰胺6DurethanBKV30XTS1，其長(zhǎng)期工作溫度高達(dá)200℃。該材料在發(fā)動(dòng)機(jī)室中的可能應(yīng)用場(chǎng)合包括導(dǎo)風(fēng)管、進(jìn)氣管，以及承受高熱應(yīng)力的其他車身附件。XTS2系列產(chǎn)品的長(zhǎng)期工作溫度甚至高達(dá)230℃。

材料科學(xué)正在向復(fù)合材料的方向發(fā)展，通過一定的技術(shù)手段和工藝把不同種類和性能的材料復(fù)合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短，揚(yáng)長(zhǎng)避短，有可能會(huì)獲得比單一材料性能更強(qiáng)的復(fù)合體材料，如玻纖/碳纖塑料等復(fù)合材料的應(yīng)用，在汽車領(lǐng)域也不例外。

巴斯夫公司也朝復(fù)合材料方向邁出了第一步—Ultracom，這一廣泛融合的產(chǎn)品與服務(wù)組合的創(chuàng)新在于連續(xù)纖維增強(qiáng)半成品層壓板，再加上巴斯夫聚酰胺（Ultramid）產(chǎn)品系列中的包膠注塑改性材料，以及一個(gè)面向部件生產(chǎn)的完整開發(fā)與服務(wù)平臺(tái)。巴斯夫通過Ultracom這一產(chǎn)品包進(jìn)入汽車復(fù)合材料的半成品零部件市場(chǎng)。重點(diǎn)應(yīng)用在以復(fù)合材料制成的車身和底盤部件，與鋼材相比，最高可實(shí)現(xiàn)減重60%。巴斯夫預(yù)期，如果發(fā)展良好，到2025至2030年，復(fù)合材料元件的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到約20億歐元。為了積極參與并促進(jìn)市場(chǎng)的形成，巴斯夫計(jì)劃在未來三年內(nèi)，在熱塑性和熱固性復(fù)合材料領(lǐng)域投入數(shù)千萬歐元用于研發(fā)。

電動(dòng)汽車的出現(xiàn)也對(duì)車用材料提出了新訴求。從整車設(shè)計(jì)的思路出發(fā)，電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)應(yīng)該重新考慮車輛的重心，載荷的分布，動(dòng)力電源和驅(qū)動(dòng)裝置的位置，而幾年前我所提出的汽車設(shè)計(jì)減量化的概念現(xiàn)在可以得到具體的體現(xiàn)。

事實(shí)上，塑料替代金屬除了輕量化之外，還可以降低汽車傳動(dòng)件之間的摩擦力，特別是與金屬（鋁、銅）的表面摩擦，即能降低摩擦系數(shù)，又能提高密封性。實(shí)現(xiàn)更好的耐磨性；同時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)的柔韌性和零部件集成度；提高安全性、舒適性和燃油效率以及更好的密封隔噪效果。有數(shù)據(jù)顯示：幾乎70%的設(shè)備損壞是因各種形式的磨損造成的。而汽車摩擦損耗占整個(gè)車體能量損耗的48%左右。因此，塑料為汽車帶來的好處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是單純的輕量化。

減量化從設(shè)計(jì)開始

減量化必須要從結(jié)構(gòu)方面考慮，它是一種革命性的設(shè)計(jì)手段，本著功能集中的設(shè)計(jì)原則，減小體積和外部尺寸，使結(jié)構(gòu)更加緊湊；盡可能的減少零部件的數(shù)量，同樣是以不犧牲車輛性能為前提。

現(xiàn)代汽車大量采用新型材料，傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法不再適用

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