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淺談工程塑料在汽車輕量化中的應(yīng)用進(jìn)展論文
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展， 我國的汽車產(chǎn)量穩(wěn)步增長， 汽車消費(fèi)規(guī)模日趨龐大。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布數(shù)據(jù)顯示， 2008年我國產(chǎn)量達(dá)到934。51 萬輛， 汽車銷量達(dá)到938。05 萬輛。雖然目前全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)對各國的汽車產(chǎn)業(yè)帶來了嚴(yán)重影響，但國內(nèi)汽車廠家積極應(yīng)對， 加上政府政策的支持， 近兩月來中國的汽車銷量開始回升， 從整體趨勢上看， 我國的汽車工業(yè)仍將保持一個持續(xù)高速增長態(tài)勢。
在汽車及相關(guān)行業(yè)的進(jìn)步帶來巨大機(jī)遇的同時， 汽車工業(yè)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。汽車及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展對社會能源供給、環(huán)境保護(hù)等方面的影響日益明顯， 因此要承受的節(jié)能減排的壓力也日趨增大。汽車結(jié)構(gòu)的輕量化和輕量化材料的使用等汽車輕量化技術(shù)， 可以有目的地減輕汽車自身的重量， 又能保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性， 同時滿足汽車本身的經(jīng)濟(jì)性要求。
汽車輕量化已經(jīng)成為汽車材料發(fā)展的主要方向， 節(jié)能和環(huán)保則是汽車行業(yè)的兩大課題。以塑料件代替各種昂貴的有色金屬及合金材料部件， 不僅能減輕車重， 降低燃油消耗和碳?xì)浠衔锱欧牛?還可提高動力， 適應(yīng)惡劣環(huán)境， 增加安全性， 而且塑料可回收， 從而節(jié)約了制造過程中的資源消耗， 最終使汽車在安全和成本兩個方面獲得更多的突破。汽車造型更為美觀和設(shè)計更為靈活， 是降低零部件加工、裝配和維修費(fèi)用的有效途徑。汽車用塑料的使用已經(jīng)成為衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。
工程塑料是電子信息、交通運(yùn)輸、航空航天、機(jī)械制造業(yè)的上游產(chǎn)業(yè)， 在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著重要的地位， 其發(fā)展不僅對國家支柱產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)起著支撐的作用， 同時也推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整。近年來， 隨著我國制造業(yè)的迅速發(fā)展， 工程塑料的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛， 用量從2000年的39。4 萬t 上升到2007 年的182 萬t ， 其中汽車行業(yè)2007年消費(fèi)的工程塑料占國內(nèi)工程塑料市場消耗比例的11。89% 。工程塑料， 尤其是高性能工程塑料， 因其具有良好的機(jī)械性能、綜合力學(xué)性能， 而且耐熱性、耐酸、壽命長、可靠性好等特點(diǎn)而越來越廣泛地用于汽車工業(yè)， 其前景非常好，例如發(fā)動機(jī)上的一些零部件如調(diào)速閥、機(jī)動盤、氣流盤、水泵、輸油管、皮帶輪罩、冷卻風(fēng)扇、油門踏板等已開始使用PA 、PPS 、PBT 等注塑或吹塑成型。
隨著汽車輕量化應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步， 工程塑料在汽車各部件上的應(yīng)用將更為廣泛。下面通過汽車所用塑料的四個方面為例分析工程塑料在汽車輕量化發(fā)展上的重要作用。
1 工程塑料在汽車動力系統(tǒng)中的應(yīng)用
早已作為汽車內(nèi)飾件優(yōu)先選用材料并不斷擴(kuò)大應(yīng)用作汽車外飾件材料， 現(xiàn)在又開始令人矚目的應(yīng)用于制造汽車發(fā)動機(jī)室內(nèi)的功能部件， 將來可能取代金屬制造汽車動力系統(tǒng)的幾乎每一種零件�，F(xiàn)在， 轎車、箱式汽車（面包車）、小卡車上使用的塑料， 大約25%用于發(fā)動機(jī)室內(nèi)， 除了很久已經(jīng)改用塑料制造的翼子板內(nèi)襯和蓄電池殼體外， 發(fā)動機(jī)和燃油系統(tǒng)有越來越多的金屬件改用塑料制造。
汽車發(fā)動機(jī)罩下（即發(fā)動機(jī)室內(nèi)）進(jìn)氣歧管是最有可能用工程塑料和熱固性塑料包括聚苯硫醚、尼龍、聚醚整體塑料（BM C）和酚醛塑料制造的部件。首先實(shí)行商業(yè)化生產(chǎn)的塑料進(jìn)氣歧管， 是德國富呂登伯格公司用聚酯BMC 制造的歧管，其內(nèi)表面十分光滑， 有助于空氣進(jìn)入， 使得發(fā)動機(jī)效率比用金屬歧管高15 %， 歧管重量減輕1kg 。ICI 公司先進(jìn)材料部采用專用級尼龍66 ， 用其制造的進(jìn)氣歧管早在1990 年使用與大批量生產(chǎn)的汽車上。通用電氣公司塑料部與CMI 國際公司聯(lián)合研制供通用汽車公司和克萊斯勒公司使用塑料進(jìn)氣歧管，采用玻璃增強(qiáng)的PPS 與尼龍和其他工程樹脂的合金。其他公司如拜耳公司赫斯特—塞拉尼斯公司、菲利浦公司的PPS ， 巴斯夫公司和杜邦公司的高性能尼龍， 也被機(jī)械制造廠家考慮用作制造進(jìn)氣歧管的材料。
發(fā)動機(jī)氣缸蓋罩是汽車發(fā)動機(jī)室內(nèi)最適合用工程塑料注塑制造的部件之一。許多公司都主要選用增強(qiáng)乙烯基酯和酚醛樹脂模塑的熱固性塑料結(jié)構(gòu)， 因其耐熱性高， 防火安全性能好。不過有部分汽車設(shè)計師傾向于采用尼龍。
2 工程塑料在汽車照明技術(shù)中的應(yīng)用
在車前大燈塑料應(yīng)用方面， 考慮到大燈玻璃的透明性、耐熱性、耐沖擊性以及易于成型性， 多數(shù)采用表面涂覆硬膜的PC ， 從而進(jìn)一步提高了耐擦傷性和耐候性。德國拜耳公司和美國GE 塑料公司合資的Exatec 公司推出了具有杰出的耐候性和耐磨性的聚碳酸酯（PC）汽車窗系統(tǒng)Ex atec500 ， 并已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。前大燈反射鏡殼一般用BMC（團(tuán)狀模塑料）、PPS 、PC 、PBT 等制成。
后排指示組合燈， 其燈罩材料為PMM A， 燈殼為填充PP ，他們之間用熱熔膠粘劑粘接。隨著振動焊接技術(shù)的發(fā)展， 燈殼材料開始采用耐熱ABS。
世界領(lǐng)先的汽車車燈制造商法雷奧（Valeo）為該公司的自適應(yīng)前燈系統(tǒng)選擇了杜邦公司的Zy tel HTN PPA 塑料產(chǎn)品。這種車燈系統(tǒng)在大眾帕薩特和雪鐵龍C4 等眾多車型上均有所應(yīng)用。該系統(tǒng)可以給司機(jī)提供更為清晰的夜間視野，從而加強(qiáng)安全性。這種自適應(yīng)前燈系統(tǒng)可以根據(jù)車輛的行駛速度和轉(zhuǎn)彎角度自動改變燈光的強(qiáng)度和方向， 從而使司機(jī)在夜間可以更清楚地看到道路彎曲的地方， 夜間照明燈光強(qiáng)度的增高大大減小了司機(jī)在道路彎曲處及十字路口的駕駛壓力和疲勞狀況， 這樣就提高了司機(jī)在各種天氣和路況下駕駛的舒適性。法雷奧設(shè)計的氙氣前燈適合中、高檔的駕駛速度， 在道路彎曲處它可以把司機(jī)的視野距離擴(kuò)大1 倍。杜邦公司在開發(fā)熱塑性塑料方面走在世界的前列， 它開發(fā)的塑料可以用來代替金屬。隨著汽車制造商在追求更輕便的、燃油效率更高的汽車， 杜邦的高強(qiáng)度、耐高溫的樹脂產(chǎn)品可以用來代替汽車上的金屬部件。用來代替法雷奧車燈系統(tǒng)中金屬部件的高強(qiáng)度、耐高溫的Zytel H TN PPA 產(chǎn)品就是一個很好的例子。
工程塑料供應(yīng)商So lvay 公司推出兩種用于高反射的汽車前燈的最佳材料。一種是聚砜UdelLTG—2000 品級， 使用溫度可達(dá)175℃ ， 它比大多數(shù)高溫PC 和PC/ PEI 合金更耐溫；一種是聚醚砜Radel LTG—3000 ， 特別適合用于205 ℃ 的高溫， 它比許多PEI 品級具有更高耐溫性， 耐沖擊性提高了50 %， 熔體流動速率也增加了33%。Lanx ess 公司推出兩種聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）品級：Pocan KU2—7003 和TP006—004 。它們可用于制造汽車前燈罩， 替代耐高溫?zé)崴苄运芰先绻簿厶妓狨ズ途勖秧浚?且在價格上更有優(yōu)勢。兩種產(chǎn)品均具有優(yōu)異的表面性能， 而且可以直接金屬化， 不需底漆預(yù)處理， 可以在160℃下使用。KU2—7003 已經(jīng)用于雪鐵龍C2 和C3 汽車前燈。兩種品級加工時都不會釋放揮發(fā)性氣體， 積垢非常少， 這使金屬化的燈罩表面性能更好。兩種材料的流動性都好， 適合于制造大型和幾何形狀復(fù)雜的燈罩。此外， 另一種用于燈罩的脫模性更好的Pocan 也即將商品化。
3 工程塑料在汽車裝飾件的應(yīng)用
汽車塑料件根據(jù)主要用途， 大體分為功能件和結(jié)構(gòu)件兩種。而汽車的裝飾件大多為結(jié)構(gòu)件， 工程塑料在汽車裝飾領(lǐng)域的應(yīng)用范圍最廣。隨著塑料工業(yè)的發(fā)展， 各種新型樹脂的出現(xiàn)以及通過合金、共混、復(fù)合等改性手段得到各種高性能材料已經(jīng)能夠滿足汽車行業(yè)對功能型塑料件和結(jié)構(gòu)型塑料件及其應(yīng)用材料提出的各種綜合性能指標(biāo)要求， 塑料在汽車上的應(yīng)用范圍和用量將不斷增加。主要的汽車塑料裝飾件一般分為內(nèi)飾件和外飾件， 其中內(nèi)飾件占整車塑料用量的56 % ，以往的汽車內(nèi)飾件較多的工程塑料有ABS 、PUR 和塑料合金等。主要的汽車塑料內(nèi)飾件有儀表板、內(nèi)板、頂柵、門內(nèi)手柄、裝飾條等。
目前使用的儀表板可分為硬質(zhì)儀表板和軟質(zhì)儀表板兩種。硬質(zhì)的一般在輕、小型貨車上使用， 經(jīng)一次注射而成。這種儀表板尺寸很大， 無蒙皮， 表面質(zhì)量要求很高， 對材料要求耐濕、剛性。由于多點(diǎn)注塑成型， 易形成流痕和熔接痕， 一般表面需經(jīng)涂裝才能使用。材料可用M PPO 、ABS 等。軟質(zhì)儀表板由表皮、骨架材料、緩沖材料等組成。骨架材料的選用不同廠家有所不同， 有的采用硬紙板、木材， 有的采用PC/ ABS合金， 還有采用鋼板作骨架材料， 也有用ABS 、GFAS 等。表皮材料， 如桑塔納、捷達(dá)、富康轎車等采用PVC/ ABS 合金片材， 并帶皮紋， 以骨架為內(nèi)模， 用真空吸塑法將表皮材料敷在骨架上， 形成一層既美觀又有良好手感的表面。
門內(nèi)板的構(gòu)造基本上類似于儀表板， 由骨架、發(fā)泡材料和表皮構(gòu)成。以小紅旗轎車和奧迪轎車為例， 門內(nèi)板的骨架部分由ABS 注塑而成， 再把襯有PU 發(fā)泡材料的滌綸表皮以真空成型的方法， 復(fù)合在骨架上形成一體。
頂棚由基材和表皮構(gòu)成。基材要求輕量、高剛性、尺寸穩(wěn)定、易成型等， 一般使用熱塑性聚氨酯發(fā)泡內(nèi)材， PP 發(fā)泡片材， 玻璃纖維瓦楞紙， 蜂窩狀塑料帶等。P 表皮材料可用織物、無紡布、TPO、PVC 等。
門內(nèi)手柄， 不僅是啟閉門的功能件， 而且也是裝飾件。一般以ABS 、改性PP 等材料制成。每扇門有上下2 根門檻飾件， 一般用ABS 經(jīng)注射而成， 帶皮紋。
為提高乘坐的舒適感， 要求降低噪音。為此把消聲材料埋入到部件的襯里去， 如儀表板、地毯、發(fā)動機(jī)蓋板、行李箱等， 消聲材料有廢毛氈、發(fā)泡PU、玻璃纖維紙板等。由于車廂內(nèi)外溫差而造成側(cè)窗玻璃模糊， 影響司機(jī)的視線， 側(cè)窗防霜器孔中可噴出冷熱氣體， 以消除側(cè)窗的模糊。桑塔納轎車的防霜器就是用PC/ ABS 制成。
汽車輕量化的關(guān)鍵在于汽車車身， 用塑料制作車身覆蓋件可以一次成型， 不需要進(jìn)行后處理和機(jī)械加工， 可降低成本。塑料車身覆蓋件表面光滑、尺寸精確、質(zhì)量穩(wěn)定、NVH（噪聲、振動、沖擊）指標(biāo)也比金屬覆蓋件小， 所以汽車中頂蓋、發(fā)動機(jī)罩、汽車保險杠、散熱器格柵、擋泥板、側(cè)防撞條、后導(dǎo)流板等大半都使用工程塑料配件。
汽車外飾件散熱器格柵是為了發(fā)動機(jī)冷卻而設(shè)置的開口部件， 位于車體最前面， 往往把汽車的銘牌鑲嵌其間， 是表現(xiàn)一輛轎車風(fēng)格的重要零件。目前轎車上一般用ABS 或PC/ABS 合金， 經(jīng)注塑成型制成。也有采用耐候性較好的ASA 材料， 注塑成型后， 表面可不經(jīng)涂裝。最近已出現(xiàn)用聚酯彈性體做的格柵， 在表面濺射金屬鉻后使用。車外門把手一般用POM 制作， 電鍍件采用PC/ ABS 合金， 門鎖一般使用剛性好的POM ， 玻璃升降器的支承機(jī)構(gòu)及手搖把材料為POM ， 雨刷件的桿可用PBT 或POM ：球碗用POM 車輪箍使用改性PA或PA/ PPO 再經(jīng)表面鍍鉻。汽車底盤件大多承受較大的負(fù)荷， 不易塑料化。
目前塑料件僅限于汽車轉(zhuǎn)向制動、傳動懸掛系統(tǒng)中， 大部分用在需要耐磨的運(yùn)動件上， 零件不大。但對材料要求具有高強(qiáng)度、耐磨擦性好， 多用改性POM 、PBT 等材料制造。此外， 汽車發(fā)動機(jī)、水箱、油箱、電路系統(tǒng)等都大量的用到塑料制件。
4 工程塑料在汽車安全化的應(yīng)用
汽車的安全性能是汽車的一項(xiàng)重要生產(chǎn)指標(biāo)， 在汽車安全化發(fā)展進(jìn)程中， 工程塑料起著舉足輕重的作用。
目前， 國外中高檔轎車的保險杠已采用PC/PBT 合金制造， 因?yàn)榇瞬牧喜粌H機(jī)械性能高， 特別是沖擊強(qiáng)度比PP 制保險杠高出許多。如GE 公司的Xenoy—XT 適合于制作汽車保險杠。它不僅能承受碰撞， 保險杠與車體組裝后一起涂裝（以使保險杠與車體保持同一色澤）時， 能耐155 ℃/ 30min 的烘烤干燥。拜耳公司、巴斯夫公司也都有用于保險杠的品種。巴斯夫的Ultrable nd ， 不僅具有PBT 的耐化學(xué)藥品性、耐油性及流動性， 又具有PC 的低溫韌性， 耐熱性及高的機(jī)械性能（尤其突出的高抗沖擊性）， 已經(jīng)大量用于制造保險杠。此外還有熱塑性彈性體TPE ， 它在常溫下具有橡膠特性， 在高溫下能塑化成型， 用通用的塑料機(jī)械可以加工成各種零件。
燃油箱是汽車中重要的安全部件之一， 有單層或多層復(fù)合結(jié)構(gòu)， 要求其材質(zhì)具有耐寒、耐熱、耐蠕變、耐應(yīng)力開裂、耐老化、耐溶劑和耐化學(xué)藥品腐蝕等性能， 以適應(yīng)抗沖擊、抗?jié)B漏、阻燃、防爆等方面的要求。
塑料功能件主要指發(fā)動機(jī)部件及其罩下燃油進(jìn)氣系統(tǒng)和電器系統(tǒng)。雖然用塑料制作的發(fā)動機(jī)部件比金屬部件成本低、質(zhì)量輕、噪聲小， 但是要求塑料件必須能夠耐175℃ 的高溫、剛性高、尺寸穩(wěn)定性好、耐腐蝕。因此， 發(fā)動機(jī)部件使用的塑料主要是尼龍66、PPS 、聚酯等。目前， Ro ger s 公司用玻纖增強(qiáng)酚醛塑料制成了發(fā)動機(jī)氣缸和油盤；BMW 公司的六缸和四缸新型發(fā)動機(jī)使用了全塑料進(jìn)氣裝置；Mann&Hummel 公司使用35%的玻纖增強(qiáng)尼龍制造進(jìn)氣裝置。
汽車塑料燃油箱的發(fā)展起步于歐洲， 所以目前歐洲的制造商INERGY 和KAUTEX TEXT RON 公司一直是處于世界塑料燃油箱的領(lǐng)導(dǎo)者地位， 并且市場占有率超過50 %。隨著汽車塑料燃油箱在北美和日本汽車市場的蓬勃發(fā)展， 當(dāng)?shù)厥袌銎鸩讲l(fā)展了一批知名塑料燃油箱的OEM — 如TI AUTOMOTIVE， VIS TEON ， ABC ， 日本YACH IYO 和FTS 公司等。2005 年， 全球乘用車產(chǎn)量大約在6200 萬輛， 塑料燃油箱的市場占有率約為68%， 銷量為4200 萬只， 塑料燃油箱在世界范圍的市場占有率：歐洲和北美市場處于領(lǐng)先地位， 2005 年歐洲市場占有率達(dá)到95 %， 在北美市場占有率達(dá)到了80 %，而亞洲市場占有率僅有26 % 。
汽車安全氣囊系統(tǒng)除了傳感器、微處理器、氣體發(fā)生器和氣囊等重要部件外， 氣囊蓋板也是十分重要的一個部件。熱塑性彈性體是汽車安全氣囊蓋的主要使用材料。作為安全氣囊蓋板的熱塑性彈性體主要有聚烯烴共混型熱塑性彈性體（TPO、TPV）、聚氨酯型熱塑性彈性體（TPU）、聚酯型熱塑性彈性體（TPEE）。不同的級別車型， 用不同的安全氣囊系統(tǒng)配置。從低檔車的只配主駕氣囊到高檔車的多個氣囊甚至十幾個氣囊， 每臺車氣囊蓋板材料的使用差別很大。由于TPEE兼具橡膠的柔軟性、彈性和熱塑性塑料的剛性、易加工性， 而且同其他熱塑性彈性體相比， 耐熱性最高， 所以在汽車領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用， 作為安全氣囊蓋板材料顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。但近幾年來TPO 技術(shù)的突破性發(fā)展， 以其較高性價比的優(yōu)點(diǎn)使其在汽車安全氣囊蓋板中的使用越來越廣泛。
5 工程塑料在汽車中應(yīng)用前景展望
現(xiàn)代塑料技術(shù)的發(fā)展已使得塑料成為汽車的主要材料，工程塑料固有的特性賦予汽車輕量化、減低燃油消耗等益處，促進(jìn)汽車工業(yè)的發(fā)展。
根據(jù)愛爾蘭市場研究公司最新發(fā)布的報告稱， 過去10 年中國汽車塑料需求呈較快速增長， 預(yù)計未來5 年， 中國汽車塑料生產(chǎn)和需求還將保持較高增幅繼續(xù)增長。中國汽車工業(yè)飛速壯大也激活了汽車塑料的需求不斷增長， 預(yù)計2009 年國內(nèi)產(chǎn)量將達(dá)到504430t ， 平均年增幅為18 。1 % 。由于國內(nèi)產(chǎn)量仍然不能滿足需求的快速增加， 今后幾年中國還將進(jìn)口大量的汽車塑料， 2004 年中國汽車塑料進(jìn)口量為482400t， 預(yù)計2009 年進(jìn)口量將達(dá)到951260t 。工程塑料及其合金等材料在我國汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景將更為廣闊。
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