维普资讯 http://www.cqvip.com 罐 相关行业专栏 严伯昌 【内容提要】根据近几年塑料在汽车上的应用 好的发展前景。 与发展的趋势和塑料代钢的应用研究现状,本文详 今后价格便宜,车身轻,低污染,小排量,安 细介绍了现代汽车装饰部件的塑料化、发动机部件 全舒适性高的车型将备受青睐,所以塑料在汽车上 的塑料化、结构材料的塑料化、车身的塑料化,并 的应用会越来越广泛。同时,车用塑料部件将从内 指出了塑料在未来汽车上的应用前景。 饰件向外饰件、结构件和发动机周围的零部件方向 【关键词】汽车部件塑料代钢应用前景 发展,特别是模块化制件,有着很大的发展空间。 了解世界的发展趋势,缩短和世界先进水平的差 1.塑料在汽车上的应用与发展 距,将有助于我国纤维增强塑料产业的发展。 塑料及其复合材料是最重要的汽车轻质材料, 汽车工业成了最大的塑料用户之一,美国用耐 它不仅可减轻零部件约40%的质量,而且还可以使 热塑料制造发动机己成功。这种塑料中混合有玻璃 采购成本降低40%左右,因此近年来在汽车中的用 及碳纤维强度高,可制造大部分发动机零件,如气 量迅速上升。目前汽车内饰件己基本实现塑料化, 缸体等。只有少部分承受高负荷的活动零件,如曲 今后的重点发展方向是开发结构件,外装件用的增 轴、连杆等仍用金属制造。这种塑料发动机比金属 强塑料复合材料、高性能树脂材料与塑料,并增加 发动机约轻5O%,试验中省油率达到12%~15%, 汽车塑料材料的可回收性。目前塑料在汽车中的应 而且噪声比金属发动机低30%。据预测,到2009 用范围正在由内装件向外装件、车身和结构件扩 年,北美轿车和轻型卡车塑料总需求量将再增加 展,应用日益深化。除聚烯烃材料近来在汽车领域 25%。在汽车零部件中,聚丙烯(PP)是用量最大 的应用量大增外,聚氨酯、增强复合材料等在汽车 的热塑性塑料,仅北美每年的用量就可达到27万t。 行业的运用也日益增加。聚氨酯产品自身耐磨性、 戴姆勒一克莱斯勒汽车公司正在研究开发用巨型 均匀性好,被许多汽车材料工程开发商所重视。 注塑机成型翼子板、前照灯面板、发动机盖、后围 目前全球车用塑料消耗量正在逐年增加,在发 板等,一旦成功将对整个汽车工业的加工方式产生 达国家己占塑料总消费量的7%~10%。近几年来轿 革命性的影响。目前该公司己在一些车辆上使用塑 车塑料消费量增幅超过6%,其中以PP消费量最大, 料翼子板、后尾门,并将塑料整体结构用在奔驰A 约占42%的市场份额,增幅在8%左右,其次是 型车和超微型车上。 ABS。在增强型复合材料中,汽车方面的需求量目 前占增强塑料市场总消费量的3l%,其中最重要的 2.塑料代钢的应用研究 是纤维增强复合材料,我国目前消费只占到 汽车轻量化对于节能至关重要。2O年来轿车平 l%~2%。根据发达国家的经验,汽车业和建筑业将 均质量己减轻25%。汽车外装塑料制品对于汽车轻 占去增强塑料消费市场的50%以上。我国已有整车 量化效果比较明显。因此一直是汽车塑料化中比较 厂160家,改装厂800家,主要零部件厂4000多 关心的课题。与金属相比,塑料的优点是密度小和 家,汽车产销量700多万辆,2010年将达到1000 使用性能好,生产和产品加工的耗能少,还可以用 万辆以上,可见塑料在汽车上的应用与发展有着良 其制造复杂形状的塑料制品,减少零件数量及装配 没车■蠢Automotive Information 第29页 维普资讯 http://www.cqvip.com 相关行业专栏 工序。据专家推算,每采用lkg塑料可以使汽车的 重量减轻1.2kg。所有这些优点使国内外汽车结构 采用塑料的趋势有了很大的进展。 用。 汽车内饰件所用塑料量占整车用塑料量的 56%。汽车内饰件的质量取决于材料。以前汽车内 饰件多用金属、木材和纤维纺织品等材料,外观和 质感都不甚理想,而且随着环境保护意识日趋浓 厚,寻找一些可以回收利用,材质安全性能高,加 汽车上塑料的使用量每年呈递增趋势,今后的 车用材料,正由金属向塑料方向转化。当然,从材 料生产所消耗的能量来看,塑料生产有利于节省能 量、节省能源。塑料以石油为原料,其使用结果, 既可轻量化又可省能源。然而,塑料比金属材料的 强度差,一般情况下,塑料化要随之增加零件壁厚, 因此今后有待开发出既便宜又有高强度的塑料。 减轻汽车质量的措施之一是扩大塑料在汽车 上的应用。一辆小轿车的内部装饰件全都采用塑料 之后,能减轻质量183kg。一辆载货汽车用塑料制 造汽油箱、风扇、空气滤清器壳、蓄电池壳等零件 以后,可以减轻质量100 kg以上。尤其是客车和轿 车的车身,早期要用钢骨架、镶木条,外包薄钢板, 改为包铝皮后,质量减轻还是不多。自从采用塑料 车身以后,不仅轻巧耐用,而且容易制造、美观大 方、修理方便。此外,塑料还可用来制造许多汽车 零件。用塑料代替铜制造门锁、水箱、仪表、油管、 灯座及各种衬套、垫片,不仅可节约贵重的有色金 属铜,而且耐磨性好,使用寿命长。尤其是各种塑 料衬套,本身具有减磨性,不用经常加注润滑油, 这也是汽车实现免维护要求的一条重要途径。由金 属向塑料方向转换,确实可以达到轻量化的目的, 但不可能将所有金属部件都塑料化。哪些零部件能 塑料化?轻量化能达到什么程度?亟待研究和开 发。 3.装饰部件的塑料化 塑料近年来在汽车上的应用越来越多,已由内 外装饰件向车身覆盖件和结构件方面发展。汽车的 内饰件一般是指轿车车厢的隔板、门内装饰板、仪 表板总成、扶手、地毯等零部件和材料,要求材料 能够满足低光泽、防划伤、耐冲击的要求。相对于 车上其它部件而言,它们对车辆的运行性能没有什 么影响,但其面目一览无遗,代表了整部车子的形 象,决定着轿车的声誉、档次和人们选择轿车的意 向。另外,对于轿车来讲,虽然内饰件只是一些辅 助性的零配件,但它们要承担起减振、隔热、吸音 和遮音等功能,对汽车的舒适性起到十分重要的作 第3O页 凌车■据Automotive Information 工方便的材料来代替传统的材料,已经成为各国汽 车制造业的研究与开发的内容。热塑材料集结了韧 性好、强度大、隔热好、质地轻、耐腐蚀、富有弹 性和手感好,成本低等一系列优点,因此受到人们 的欢迎。以往占车用材料50%以上的传统钢铁材料 正在日益被更轻、强度更高的塑料制品所取代。在 汽车的外饰方面,前后保险杠、车身装饰条、散热 器隔栅、灯类等都采用塑料材料,以减轻外物体对 车身的冲击力。另外,塑料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。 国外汽车的内饰件已基本实现塑料化,如今塑 料在汽车中的应用范围正在由内装件向外装件、车 身和结构件扩展,今后的重点发展方向是开发结构 件、外装件用的增强塑料复合材料、高性能树脂材 料与塑料。但我国汽车行业应用塑料尚存在一些问 题有待解决,否则可能影响塑料在汽车材料中份额 的进一步提升:一是汽车专用塑料牌号少,产品性 能不能满足选材要求,需进口或采用改性塑料替 代;二是汽车用塑料品种较多,材料标准混乱,不 利于大批量生产与应用,需对汽车现用的塑料材料 进行品种简化;三是缺乏生产汽车专用塑料的领头 企业,现有生产企业规模小而分散,各有地盘和服 务对象,技术水平不一,模具开发能力差,塑料制 品产品质量难以保证。 4.发动机部件的塑料化 汽车发动机是产生高温和动力的地方,所以其 零件宜用塑料制造。目前,塑料正在美国产汽车的 气门套和进气总管制造中取得新的进展。新型玻纤 增强尼龙6和66以及热固性乙烯基酯化合物正在 取代金属气门套(也称作摇杆或凸轮盖),具有质 量轻、成本低、设计灵活等优点。戴姆勒一克莱斯 勒公司最近采用了两种新型塑料气门套。一种是用 于V一6发动机的增强尼龙66,据说是第一种在美国 产大容量汽车上使用的热塑性塑料。同样,一种用 维普资讯 http://www.cqvip.com 于V8发动机的热固性塑料,据说也是首次在气门 套上使用。杜邦公司的发动机盖专家Pat Granowicz 声称塑料发动机盖质量减轻了65%,且油气分离器 一体化,降低了油损耗,提高了发动机效率。曲轴 箱强制通风阀一般拴接在发动机盖的外部,现在在 内部采用振动焊接技术,将阀隔离开,改善了汽车 的启动性能。 5.结构材料的塑料化 塑料已经在衬套、装饰件及车身某些部件上得 到广泛应用,可是人们追求的目标是应用在整个车 身外壳上。福特汽车公司将复合材料底盘应用在一 辆叫“探索者”的小皮卡样车上。目前,戴姆勒一 克莱斯勒公司生产的CCV(Composite Concept Vehicle)概念车成为第一款真正意义上的塑料汽 车,它采用一种几乎全塑的车身外壳。这款由克莱 斯勒公司主持设计的概念车,车身外壳采用聚对苯 二甲酸乙二酯(PET)材料模压注塑成形,由4片 模压注塑成形的全塑片材(两片内板件,两片外板 件)在车身中心线处对接,形成整体式的车身结构。 车身材料含有玻璃增强纤维,加强车身的刚度和硬 度,还含有稳定剂、冲击延展剂、颜色等添加剂。 CCV全塑车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,而且要控制住塑性材料 的流动性,板块黏合要求绝对可靠,CCV解决了这 些技术难题,它通过新结构新技术新工艺,开创了 全塑车身的发展之路。但是,由于强度、刚度、韧 性和固化周期等一系列问题还影响着车身的全塑 料化,不过复合材料车身的发展将有助于解决这一 难题。 6.车身的塑料化 塑料汽车的特点是:重量轻、节省燃料;生产 所用的模具简单,易于成形,成本较低。塑料汽车 的关键是汽车的稳定性以及车架的强度,经过多年 的研究,已基本上解决了生产难题。最具有名声的 全塑汽车是美国通用公司的土星汽车,其车身和车 架采用新型增强塑料。还有德国尼奥普兰公司的全 塑壳大型轿车,质量只有普通轿车的43%,可节省 燃料20%-30%。它的一辆试验车横穿撒哈拉沙漠, 能耐70℃的高温。且与41km/h时速的载货汽车相 相关行业专栏霸 撞时,驾驶员和乘客均无损伤。 目前世界各国都在进行着车身塑料化的开发 研究工作,克莱斯勒汽车公司将推出新型塑料汽 车:车身由PET塑料制造的6大部分组成(一般的 金属车身组装需要大约80个部件),而且不用油漆, 能够使汽车的造价降低一半。车身板用塑料主要是 以SMC(热固性片状模塑料)为主进行了很多开发 应用研究工作。90年代出现的CTMT(玻璃毡增强 热塑性复合塑料)材料在汽车上的应用被誉为20 世纪汽车工业材料方面最大的突破之一。这种材料 力学性能优异,成型周期短,可制造大型结构件及 可以回收利用,因此受到汽车界的相当关注。CTMT 的初始产品是一种长玻璃纤维连续迭成的玻璃毡, 经PP浸渍压制成PP增强片材。这种片材便于冲压 成型,适合于制造结构件或大型覆盖件。SMC及 GMT可以用作制造汽车发动机罩,车顶、行李箱 盖板等受力水平部分,PIM或PA/PPO、PC/ABS塑 料完全可用作制造叶子板、车门外板、阻流板等垂 直部分。 塑料复合材料板材用于制造车身,为聚氨脂薄 膜增强反应注射模工艺制造。具有优异的机械和物 理性能和抗表面裂纹能力,但表面质量比SMC差。 与聚氨脂结合可形成较高的刚性,较好的热阻和表 面质量。薄壁技术制造PV-RRIM是非常有吸引力 的,但成本高于SMC。SMC具有好的机械性能、 表面质量和自然时效性,但如果不使用粘结剂时较 脆。SMC和PV-RRIM是热固材料,比热塑材料更 贵。制造热固材料的另一种方法是树脂转换模 (RTM),在法国应用较多,可制造具有高弯曲强 度的车身面板和阻流板。玻璃纤维增强聚丙烯 (PP),聚碳酸酯/聚丁烯对酞酸盐(PC/PBT)混合 物,聚碳酸酯丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物 (PC/ABS)混合物也用于制造车身面板。 汽车入库时引起的轻度冲撞将使车身反复产 生凹陷和损伤,可利用塑料的弹性变形予以避免。 冬季为了防滑,路面经常撒盐,车身下半身在腐蚀 而脏污的状态下行驶,塑料化作为其对策是理想的 选择。从这一角度来看塑料化也是有现实性的。 法国拜耳公司的研究人员研制出了一种适合 用作车身材料的塑料混合物。用它制造的汽车零部 件,在遭受撞击、恶劣气候及长期使用后仍然能保 泛车■报Automotive Information 第31页 维普资讯 http://www.cqvip.com 相关行业专栏 持原有形状不变。拜耳公司这次推出的聚合塑料, 内含的矿物质填充物使其能在高温下保持原有形 状,而且还能吸收水分,以免喷漆晾干过程中产生 水泡。用这种塑料生产的汽车挡泥板仅重1.5kg, 是钢质挡泥板重量的一半,并且还能回收再利用。 该聚合塑料由聚酸胺和ABS聚合物构成,前者一 般用来生产各种管道,后者是汽车骨架的材料之 一。该公司专家表示,目前占汽车全部重量14%的 材料是塑料,这一比例将随着塑料及其衍生产品品 质的提高而逐步增加。该材料既能满足消费者对汽 车舒适性和安全性越来越高的要求,而且整车的重 量也不会增加。如今塑料已经被用在汽车除挡风玻 璃外的所有部件上。鉴于如此多的优点,今后塑料 在汽车制造业中的用途还会更广,工艺和强度也将 能媲美钢材。 GM公司的费勒车采用SMC和R—RIM,其塑 料化率高达9%,使车重(1157kg)减轻了109kg。 约48 的SMC用于发动机罩、车顶盖、行李箱、 后部上翼子板。约13.5kg的R—RIM用于前后保险 杠、后下部围板、车门外板、前挡泥板等。日产汽 车有的在前后围板采用高冲击性的PBT;丰田汽车 有的后阻流板采用FRP;大型前保险杠采用聚氨酯 实现柔韧化;采用叠层钢板(钢/PP,钢)制发动机, 以减少振动燥声;日产汽车率先用GFRP制悬架弹 簧;五十铃汽车的保险杠采用耐冲击性聚碳酸酯 (PC)。上述塑料化的实现在轻量化、减振方面收 到显著效果。 1983年我国唐锦生研制新型全塑料汽车车身, 塑料占了该车总质量的60%以上,这是我国汽车制 造业广泛应用塑料的开端。富康轿车上采用的塑料 件有两大类型。一种是热塑型材料,可经热熔后重 复使用,对环境造成污染少,它占塑料制品总重的 75%;而占25%的塑料件则是采用热固型的材料, 如背门、尾翼等,这种材料不能重复使用,只能捣 碎毁掉,对局部破损可以进行修补。汽车工业中大 量使用塑料,以代替各种有色金属和合金钢材,这 是汽车工业提高设计的灵活性,降低零部件加工、・ 装配和维修费用的有效途径。同时,采用塑料生产 汽车车身和零部件也是实现汽车轻量化、节能化的 方向之一。汽车应用塑料车身及其他塑料零部件, 还能减少工厂设备的投资,减轻劳动强度。车用塑 第32页 蹙车一据Automotive Information 料的使用已成为衡量汽车工业发展水平的标志。随 着汽车向轻量化、环保化方向的发展,纳米技术在 生产中逐步应用,塑料和复合材料研究也进一步深 入,可以预料,塑料将在汽车工业上的应用越来越 广泛,开发并使用全塑汽车已不是梦想,一个塑化 的汽车工业时代即将到来。 7.塑料在未来汽车上的应用前景 随着塑料制品在汽车应用上的范围扩大、用量 增加,预计在今后的lO年里,我国汽车工业对塑料 制品的需求量将达到年均10%的增长率。根据统计 的1O种车型汇总,我国汽车消费的各种塑料排列 次序为聚丙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、不饱和聚酯、 ABS、酚醛树脂、聚乙烯和聚酰胺。资料显示,PP、 PE等通用塑料的改性品种由于性能高,质量好,其 应用正在加快发展。纤维增强聚合物FRP等新品种 由于技术的成熟,用量也在迅速增加,而PVC、ABS 等则会部分地被热塑性聚烯烃弹性体GFPA、TPO 等新材料所代替,因而会相对放慢增长速率。 在车用塑料零部件成型领域,近年来,我国也 开发了不少行之有效的新技术,包括气体辅助注射 成型技术、可熔型芯技术、三维和多层中空成型技 术、表面处理技术等。但国内汽车用塑料复合材料 无论用量、品种还是成型技术都还处于较低的水 平,主要存在的问题有:原材料供应不畅、专用树 脂牌号少、材料标准不一、成型工艺及模具制造等 有关工艺、技术问题还未能得到很好的解决。因此, 从总体上看,我国汽车用塑料制品的发展趋势是, 增加塑料原料品种和牌号,尤其是在工业上用作功 能件、结构件的品种有待开发,提高模具开发和制 造能力。 塑料在未来汽车上的应用趋势是: (1)以PP、ABS为主导的市场。据报导,轿 车零部件消耗的热塑性塑料正以年均超过6%的速 度递增,而由于PP价格低廉且性能优越,汽车内 外饰件的发展将以PP为主,现在市场上使用的PP 零件占42%的市场份额,且可望以每年8%的速度 增长,特别是在汽车内饰方面。 (2)应用范围正在扩大。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范围 正在由内装件向外装件、车身和结构件扩展,今后 维普资讯 http://www.cqvip.com 相关行业专栏 的重点发展方向是开发结构件、外装件用的增强塑 电瓶托架、挡泥板、前脸部件、裙边部件及车身壳 料复合材料、高性能树脂材料与塑料,并对材料的 体等。 可回收性予以高度关注。从品种上看,聚烯烃材料 (6)力图材料的通用性。为了有效合理地利 因密度小、性能较好且成本低,近来有把汽车内饰 用能源及原材料、降低汽车成本,不同类型轿车内 和外饰材料统一到聚烯烃材料的趋势,因此其用量 饰件使用的材料可以归结到统一使用的几种材料 会有较大的增长。预计聚丙烯今后可保持8%的年 上,这样事必会扩大这几种原料的生产规模,无论 增长率,聚乙烯的增长势头也比较强劲。 是在材料质量方面还是在成本方面都是最经济的。 (3)开发复合型材料。复合型材料在汽车零 随着汽车负荷的增大,普通塑料已无法满足高 部件上的应用也越来越显示出强大的生命力。汽车 应力零件如悬架弹簧、高温零件,如活塞等发动机 上使用复合材料的零件主要是仪表板、门护板、顶 零件,以及对表面质量要求越来越高的外板等部件 盖内护板、地毯、座椅及包裹架护板,它们基本上 的使用要求。对此有两个途径可供选择:一是采用 是由表皮(塑料、织物、地毯),隔音减振部分(泡 纤维增强型复合材料,飞机制造业已大量应用,但 沫或纤维)和骨架部分组成,这种形式的零件除满 对大批量生产且要求成本低廉的汽车来说,其复合 足一定的使用功能外,又使人感到舒适美观,而且 化的进程较慢;二是采用高级工程塑料EP及较简 由于这些材料生产工艺简单,成本低廉、适用性强 单的加工方法则是人们所期望的。高级工程塑料EP 而发展得比较迅速,它将是今后汽车内饰材料的主 的特点:不仅机械强度高,而且综合机械性能好; 要发展方向。 耐热性、耐久性优良,寿命长,可靠性好;某一方 (4)工程塑料的需求量将逐年增大。工程 面性能特别好。高分子材料的发展方向除了高性能 料,尤其是高性能工程塑料,因其具有良好的机械 化外,高功能化也是很有前途的。今后塑料在功能 性能、综合力学性能,还具有耐热、耐酸、寿命长、 零部件上的开发利用将会十分活跃。 可靠性好等特点而越来越广泛地用于汽车工业,其 【参考文献】 前景非常好,例如发动机上的一些零部件像调速 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