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塑料如何應對汽車材料新訴求
2017-11-7 8:32:21
塑料如何應對汽車材料新訴求
     基于材料對社會發展的作用，人們已經把信息、能源和材料技術并列為現代文明和生活的三大支柱，其中，材料又是能源和信息技術的基礎。衡量一個國家的科技水平，往往也體現在材料技術的先進與否。汽車制造業作為全球最大的產業，被社會各界稱之為“高新科學技術試驗場”，在這場材料技術進步中將會當仁不讓地繼續扮演重要角色。 
新材料技術研發必須解決以下問題，才有可能推動在汽車上的應用：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；無法滿足與循環經濟和環保的要求。 

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）高達幾十種，材料生產工藝不同，通用性較差，不利于回收和循環再利用。 

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通往量產的必然趨勢。 

四是縮短制作周期，提高生產效率。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、玻璃纖維增強材料和碳纖維增強材料的加工工藝相對復雜，加工周期比較長。這也同樣是影響和制約汽車制造業采用這些新材料的重要因素。 

可實現輕量化的材料 

汽車輕量化是指在保證汽車強度和安全性能的前提下，盡可能地減輕汽車的整備質量，以此來改善燃油經濟性，同時減少廢氣排放的污染。可以實現輕量化的材料種類非常多，金屬材料有高強度鋼板、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/玻璃纖維復合材料、鋁基復合材料、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展。技術突破多以材料的高性能化、多功能化、智能化為目標，從而降低生產成本、延長使用壽命，提高產品的附加值和市場競爭力。汽車是工程塑料應用較多的領域，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用，可大幅度地降低車輛裝備質量，同時還提高了汽車設計的靈活性和造型的美觀性，降低了零部件加工、裝配過程的費用。 

據長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，工程塑料應用增加。如：ABS及其合金和改性PP材料主要應用于內外飾零部件，隨車型價位增加，ABS及其合金應用比例逐漸增加；PA材料主要應用于動力、底盤零部件及結構件，約占整車塑料的20%，對聚酰胺而言，汽車工業是最大的消費市場。；其他類塑料材料（聚酯類、POM、PC等）主要應用于電子電器零部件及結構件，約占整車塑料的15%左右。 

工程塑料在汽車的具體應用案例也不勝枚舉。如荷蘭皇家帝斯曼集團帝斯曼AkulonUltraflow聚醯胺6注塑生產的發動機油底殼顯著減輕汽車重量。標致508將是首個受益于帝斯曼創新解決方案的車型。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，一款35%玻纖加強聚醯胺6材料，該材料具有很高的流動性和熱穩定性。 

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

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

另一方面，汽車新技術的發展也推出工程塑料的發展。如近年汽車發動機小型化的趨勢使得發動機周邊材料對耐溫性的要求更高，推動了高耐溫工程塑料的研發熱潮。 

朗盛公司在K2013上推出兩種Durethan聚酰胺系列的熱穩定體系，即XTS1和XTS2，主要特點是將這些高性能熱塑性塑料的連續使用溫度提高60℃以上。首款XTS1材料牌號是聚酰胺6DurethanBKV30XTS1，其長期工作溫度高達200℃。該材料在發動機室中的可能應用場合包括導風管、進氣管，以及承受高熱應力的其他車身附件。XTS2系列產品的長期工作溫度甚至高達230℃。 

材料科學正在向復合材料的方向發展，通過一定的技術手段和工藝把不同種類和性能的材料復合在一起，取長補短，揚長避短，有可能會獲得比單一材料性能更強的復合體材料，如玻纖/碳纖塑料等復合材料的應用，在汽車領域也不例外。 

巴斯夫公司也朝復合材料方向邁出了第一步—Ultracom，這一廣泛融合的產品與服務組合的創新在于連續纖維增強半成品層壓板，再加上巴斯夫聚酰胺（Ultramid）產品系列中的包膠注塑改性材料，以及一個面向部件生產的完整開發與服務平臺。巴斯夫通過Ultracom這一產品包進入汽車復合材料的半成品零部件市場。重點應用在以復合材料制成的車身和底盤部件，與鋼材相比，最高可實現減重60%。巴斯夫預期，如果發展良好，到2025至2030年，復合材料元件的市場規模將達到約20億歐元。為了積極參與并促進市場的形成，巴斯夫計劃在未來三年內，在熱塑性和熱固性復合材料領域投入數千萬歐元用于研發。 

電動汽車的出現也對車用材料提出了新訴求。從整車設計的思路出發，電動汽車設計應該重新考慮車輛的重心，載荷的分布，動力電源和驅動裝置的位置，而幾年前我所提出的汽車設計減量化的概念現在可以得到具體的體現。 

事實上，塑料替代金屬除了輕量化之外，還可以降低汽車傳動件之間的摩擦力，特別是與金屬（鋁、銅）的表面摩擦，即能降低摩擦系數，又能提高密封性。實現更好的耐磨性；同時改進設計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。有數據顯示：幾乎70%的設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車體能量損耗的48%左右。因此，塑料為汽車帶來的好處，遠遠不只是單純的輕量化。 

減量化從設計開始 

減量化必須要從結構方面考慮，它是一種革命性的設計手段，本著功能集中的設計原則，減小體積和外部尺寸，使結構更加緊湊；盡可能的減少零部件的數量，同樣是以不犧牲車輛性能為前提。 

現代汽車大量采用新型材料，傳統的車身結構及其設計方法不再適用
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