工程塑料在汽车上的应用

工程塑料在汽车上的应用 汽车工业是发达国家工程塑料应用最为广泛、使用量最大的工业门类，也是中国工程塑料最有发展潜力的领域之一。每辆汽车塑料的用量是衡量汽车生产技术水平的标志之一。日本、美国和德国等发达国家的每辆轿车平均使用塑料已超过100千克，平均占汽车总重量的8%。目前，中国每辆汽车平均塑料用量为70千克，平均占汽车总重量的6%左右。工程塑料在全部汽车用塑料中只占10%左右的比例。尼龙是最重要的汽车工业用工程塑料。汽车零部件也是PA6工程塑料最大的消费市场，超过总消费量的三分之一。随着人们对汽车性能要求的不断提高和PA6工程塑料自身的发展，汽车用PA6正呈逐年上升的趋势。汽车上可使用PA6（包括改性产品）制作的部件有空气滤清器、外壳、风扇、车轮罩、导流板、车内装饰、储水器材盖、线卡、各种车内电气接插件等。PA6/ABS具有密度低，流动性好的特点，并有良好的噪声阻尼性和良好的耐热性、耐化学性和机械性能，可用於汽车内饰件；玻纤增强PA/ABS可替代ABS做汽车排风格栅，并有可能成为汽车排空气和除霜器护栅及车门组件，以及用於摩托车档板的制作。现在PA9T也已在日本汽车工业上应用，如动力换向装置（齿轮结构）、滚动轴承架。PA9T耐燃油性强，适用於做汽车燃油系统部件。此外还可用於制造中间冷却器罐、发动机支架和要求低摩擦系数的滑动部件。 改性PPO主要用於制作一些薄壁的复杂硬质结构件，如仪表盘骨架等。GE公司推出的热固性PPO，具有高强、高韧性和良好的电性能，吸湿小，可用做汽车阀罩、燃油箱导电板、变压器和风力发动机叶片等。而PPO/PS合金加工性良好，可用做流体加工部件、汽车机罩下部件和电子接插件。PC在汽车上也有广泛应用。PC的高透明性使之成为车灯罩的主要生产材料。硅橡胶/PC也可以用做汽车保险槓。而PC的另外一大用途是以合金的形式充当汽车内饰材料。PC/ABS外观好，容易着色，广泛用於汽车内饰件如仪表板等。PBT加工性能和绝缘性能较好。PBT玻璃化温度低，加工周期短。PC/PBT、PBT/ABS等主要用於汽车内饰件。此外，由於PBT对汽油、发动机油的耐受性好，PBT也用於汽车发动机系统配件材料的生产。聚甲醛树脂是高度结晶的聚合物，具有类似金属的硬度、强度和刚性，很宽的温度和湿度条件下都具有很好的自润滑性、良好的耐疲劳性、低磨擦系数，因此，聚甲醛主要用於定性要求比较严格的滑动和滚动机械部件上，包括齿轮、凸轮、轴承、槓杆、滑轮、扣链轮和轴衬等，与金属和尼龙相比，聚甲醛具有很低的磨擦系数，是很好的轴承材料。特种工程塑料在汽车工业中也有应用，如聚醚亚胺（PEI），由於其玻璃化温度可达249，可满足汽车反光灯的反光板和软电路板、恒温箱板等产品的要求。德国BASF公司开发的由聚醚石风Ultrason E制备的发泡塑料Ultratoct也已开始用於BMW公司M3 CSL型运动车的後座靠背，这种新的後座靠背重5.5千克，重量仅为以前钢质结构的一半，汽车碰撞时显示同样的性能，而振动阻尼性则优於传统结构制品。改性塑料对传统工程塑料的冲击一方面，工程塑料新品不断，在不断开拓应用领域，并由於生产装置的扩大，成本逐渐降低；另一方面，改性技术使通用热塑性树脂不断具有工程化特点，并抢占部分传统工程塑料的应用市场。ABS是最重要的“准工程塑料”，中国已成为全球ABS用量最大的国家。除此之外改性PP是最为活跃的产品。不断推出的PP增强和高抗冲新牌号，为其在一些领域替代工程塑料提供了可能。到2003年末，全球PP在汽车方面的消量将由目前的140万吨增至260万吨，增长率将达8-9%，其中亚太地区增长最快，估计年增长率达20%。玻纤和矿物增强PP已用於汽车零配件，并对PC共混物市场构成较大冲击。改性PP也正在进入传统的PA领域，如泵体和风扇叶。目前全球90%的玻纤增强PP用於轿车上，其目标主要是用於发动机罩、仪表板骨架、蓄电池托架、座椅骨架、轿车前端模块、保险槓、行李架、备胎盘、挡泥板、风扇叶片、发动机底盘、车顶棚衬架等。全世界生产玻纤增强PP的厂商主要集中在美国、日本、德国等发达国家。具有硬度和高抗冲牌号的PS，也在工程方面的应用上获得进展。由於开发改进、兼具抗冲性和高光泽的产品改进了流变行为，因而会使PS需求有上升的趋势。SPS是由金属催化得到的间规聚苯乙烯，是一种结晶形聚合物，具有优良的耐热性、耐化学品性、良好的机械性能以及卓越的耐湿性、电性能和加工性能。其性质与价格可与多种热塑性工程塑料，如PET、PBT、尼龙66、PPS以及某些液晶聚合物相媲美。SPS无定型玻璃转化温度和结晶熔点均高於尼龙66、PET等，尺寸稳定性良好，加工过程中通常不需要预先乾燥，耐化学品腐蚀，具有良好的耐酸、堿、醇和大多数有机溶剂特性，其耐机动车油、防冻液和柴油性能优良，但耐汽油性一般。此外，其电性能也十分优越，主要的应用领域是汽车和电器零件。中国的汽车塑料工业任重而道远上汽汽车工程研究院副总工程师 王东川汽车塑料的用量是衡量一个国家汽车生产技术水平的标志之一。近30多年来，国际上汽车塑料的用量在不断增加。目前，我国对汽车塑料的应用情况还只停留在国外20世纪80年代中期的水平，尽管从加工能力方面来看，国内大多数供应商几乎不存在什么问题，但是在核心技术方面却表现出对引进技术的严重依赖。因此，中国的汽车塑料工业任重而道远！ 当前，我国汽车行业正面临着两大发展问题，一是技术发展问题就是如何适应未来汽车的发展方向和循环经济的要求，选择合适的技术路线，开发新能源汽车，以实现节能、环保、安全、个性化目标；二是自主战略发展问题就是如何在当前国外品牌产品占据主导地位、国内汽车主要依赖国外技术的现实条件下，培育自主开发能力，逐步实现自主品牌和自主开发战略目标。汽车塑料零部件的开发在这两大发展问题中扮演着一定的角色，也面临着自身的发展机遇与挑战。 1、汽车塑料应用的国际趋势 汽车塑料的用量是衡量一个国家汽车生产技术水平的标志之一。近30多年来，国际上汽车塑料的用量在不断增加（如图1所示），平均每辆车上塑料的用量从20世纪70年代初的5060kg已发展到目前的150kg，而且增长还在继续。在日本、美国和欧洲等发达国家中，每辆轿车平均使用塑料已超过150kg，占汽车总重量的10%，表中数据反映了欧洲汽车对塑料的应用情况。目前，我国每辆轿车塑料用量平均为100kg，占总重量的8%左右，达到国外20世纪80年代中期的水平。 自20世纪70年代开始，汽车塑料的应用经历了从内饰件向外部饰件不断扩展的发展历程（如图2所示）。随着人们生活水平的提高，当前的汽车已经不再是简单的代步工具，提高内饰的居室化设计、改善乘员的舒适性已成为汽车技术发展的一个重点。近年来，国外普遍采用纳米高分子材料、抗菌高分子材料等新材料技术来改善汽车的乘坐舒适性。未来几年，塑料车身以及塑料挡风玻璃也将成为塑料应用技术发展的热点。 2、汽车新技术发展为汽车塑料应用带来了新的机遇与挑战 汽车塑料应用技术的发展与汽车新技术的发展密切相关。当前，汽车技术正朝着更环保、更安全、更舒适以及个性化方向发展。伴随着轻量化技术、行人保护安全吸能技术的广泛应用，为工程塑料的应用带来了良好机遇。 1)轻量化技术的发展为车身应用带来了机遇 塑料应用是实现轻量化的重要途径之一。以白车身为例，采用纤维增强复合塑料材料制作的车身与钢制车身相比，可实现降重35%的目标；如果采用碳纤增强复合材料，则可达到降重60%以上的效果。目前，国际上由塑料制成的车身已在小批量生产的汽车中或一些高档车型上得到了广泛应用。随着低压成型车身覆盖件制造技术研发的进一步深入，塑料车身部件将在未来的轻量化和个性化车型中具有广泛的应用前景。 (2)塑料将在碰撞能量吸收技术中发挥作用 随着安全法规的日益严格，目前轿车除了必须满足前碰撞乘员安全保护法规外，还必须满足行人安全保护要求。因此，今后在轿车的前保险杠系统中必须装载前碰撞能量吸收系统，而塑料材料在能量吸收系统中起着关键的作用，例如，可发性聚丙烯泡沫能量吸收块或依靠前碰撞变形吸收能量原理的聚丙烯能量吸收构件等都是较为成功的碰撞能量吸收解决方案。 (3)塑料应用面临的挑战 尽管汽车塑料应用不断增加，但不可回避的是，汽车塑料应用发展正面临着回收问题的制约和轻金属材料技术发展等方面的挑战。塑料应用虽然具有诸多优点，但相对金属材料而言，一方面，塑料材料成本偏高；另一方面，塑料部件的回收成本偏高，特别是纤维增强热固性复合材料的回收更困难。所有这些因素都成为制约塑料应用发展的障碍。 值得注意的是，近年来高强度钢板、镁合金等新材料应用技术发展迅速，特别是镁合金在轿车仪表板骨架、前端支架、座椅骨架等应用方面已成为塑料材料的竞争对手。因此，塑料材料企业和零部件企业必须加快新技术的开发，通过降低成本、提高材料的回收利用性来迎接挑战，以获得可持续发展。 3、我国汽车塑料零部件加工行业存在的问题 我国的汽车塑料零部件加工行业是随着20世纪80年代轿车合资企业在中国的建立以及国外技术的不断引进而发展起来的，因此国内大多数知名的塑料零部件供应商所走的道路几乎都是“从引进到不断引进“的发展道路。尽管从加工能力方面来看，国内大多数供应商几乎不存在什么问题，但是在核心技术方面却表现出对引进技术的严重依赖。例如，尽管目前国内供应商能够按照国外的技术要求制造各种汽车内饰件以及保险杠系统部件，但由于缺乏保险杠系统的设计开发能力，他们只能加工塑料保险杠外壳，却不能独立开发保险杠防撞能量吸收系统。也就是说，他们还不具有为主机厂(OEM)提供能满足前碰撞、行人保护法规要求的保险杠系统结构设计和材料工艺等多种解决方案。 多年来，汽车塑料零部件行业的总体表现是，一旦主机厂引进了一部国外新车型，零部件供应商也就同步地从国外订购相应的制造装备和工装模具，并完全按照主机厂提供的图纸和技术要求组织生产。其结果是：企业在增加自身成本、丧失自主核心技术的同时还导致了严重的重复引进问题，而且这样的引进也只是停留在“复制制造模式(Copying Manufacture)”的水平上。 4、对汽车塑料零部件开发的一些建议 近年来，面对国际汽车巨头不断加大进入中国市场的竞争压力，提高自主开发能力已成为中国汽车工业实现可持续发展的重要途径。当然，要实现整车的自主开发首先必须实现零部件的自主开发。 塑料在汽车上的每一种应用都包含着要解决结构设计、制造工艺与装备、材料选择与改性等方面的问题。除此之外，还必须解决制品的表面或涂装、联接、试验评价等问题，所有这些都被称之为应用技术。根据自主开发的需要，要求塑料零部件商、材料供应商和主机厂应联合起来，针对未来新车型开发的需要，开展一些诸如塑料车身覆盖件、塑料挡风玻璃、行人保护系统、轻量化隔音降噪系统等塑料新材料零部件应用技术的研究工作。 根据目前的实际情况，建议国内的相关企业首先应加强低压成型等低成本制造工艺技术与装备的研究，开发出低成本、高柔性的塑料零部件制造工艺。通过降低大型塑料部件所需模具和工艺装备的成本，达到降低塑料件、特别是大型塑料车身覆盖件的成本的目的，以促进塑料车身技术的发展。 另外，还应积极开展塑料回收技术的研究。塑料回收、特别是纤维增强复合材料以及多材料部件的回收，是关系到未来汽车塑料应用能否得到持续发展的问题。根据谁生产、谁回收的原则，建议主机厂和塑料零部件厂共同开展对塑料件回收利用的技术研发，研发工作可根据塑料部件的不同从三方面进行：对可回收的热塑性塑料部件（如保险杠）的回收再利用工艺技术研究；对多材料部件（如汽车仪表板总成和车门护板）的分离技术与再利用技术研究；对热固性纤维增强复合材料（如SMC、RTM部件）的回收技术研究。 面对国际汽车塑料应用技术的快速发展，对于中国的汽车塑料加工工业而言，尽快提高自主开发能力已显得非常迫切。为此，需要塑料材料供应商、塑料零部件生产商以及汽车主机厂共同努力，开创中国汽车塑料技术的新天地。GE全面推进汽车的塑料化进程GE塑料GE 高新材料集团公司汽车部推出了种类繁多的高性能的工程热塑性塑料及复合物，以全面推进塑料在车身板材与车窗玻璃、零部件、照明部件、构架和内饰件、引擎盖下的部件中取代钢材和玻璃，从而为汽车OEM厂商们提供多种具有创新性的有助于减轻重量和节约成本的解决方案，同时也为汽车的安全性和环保性提供了很好的解决方案。 车身板材与车窗玻璃 每个汽车生产商都希望借助汽车外观工艺方面的最新技术，从而使自己的汽车更具有独创性。为此，GE 高新材料公司汽车部在汽车车身板材、免喷漆和车窗玻璃方面，能够通过其新型的高模数可塑材料 (HMD) 和高性能热塑复合材料 (HPPC)技术，使汽车的重量更轻，制造成本更低。 在车身板材这一产品中，GE 的“免喷漆”方案无需进行二次喷漆的操作，这样有助于节省成本。这种“免喷漆”的方案采用了一种高级 LEXAN SLX 薄膜，能够为车身板材提供 A 级水平的表面，其极好的光泽度受到了汽车用户的青睐。此外，这种薄膜可以经受长时间紫外线的照射而不褪色， 同时它还具有很强的防刮伤能力和化学稳定性，经测试其寿命可以超过10年。 GE的车身板材同样允许客户基于三种传统的喷漆方式而定制个性化的喷漆方案。离线解决方案包括可喷漆的车身板材、预着色注模、XENOY树脂板材。离线和在线的喷漆车身板材也可以用 NORYL GTX树脂制造。 在车窗玻璃这一产品中，GE的环绕式车窗玻璃将设计水平提高至一个新的层次，可使司机和乘客获得360?的视野，另外它还具有出色的抗冲击性能。这种大型三维玻璃车窗的设计是基于高性能的 LEXAN GLX 树脂和 Exatec 的独特涂层技术的完美结合。LEXAN GLX树脂玻璃能够生成全景车顶系统中具有复杂形状的一体化部件，而这是普通玻璃材料所无法提供的特性。此外，GE的这种设计可以使多个部件与车窗系统更方便地整合在一起，从而节约成本。如：后尾门和车窗系统就包含了与聚碳酸酯 (PC) 材料结合在一起的注塑紧固元件、后刹车灯、把手和锁以及转向柱覆层等部件。与一般玻璃和金属的车窗系统相比，LEXAN 树脂车窗玻璃系统可以减轻高达 50% 的车身重量，同时可帮助降低汽车的重心，从而保持更好的稳定性。 采用GE的环绕式车窗玻璃设计，可使司机和乘客获得360度的视野采用 LEXAN GLX 树脂制造的后尾门和玻璃窗系统可使多个部件更方便地整合在一起零部件 GE 高新材料公司为整部车由内至外的零部件应用提供了一批又一批种类繁多的高性能的工程热塑性塑料及复合物。例如，GELOY XTW 树脂是一种革命性的材料，能提供比传统丙烯酸苯乙烯丙烯腈 (ASAs) 材料高 3 5 倍的色泽和光泽的保持度，并且可呈现光谱中的各种颜色，使之成为“免喷漆”材料。该树脂的应用包括反光镜外壳、缝饰、内饰和栅格。由于它使用了新型的具有抗老化性的聚合体结构单元，从而大大增强了其作为外饰产品的耐侯性。尽管预着色注模没有使用油漆和坚硬的涂层，但是汽车制造商们同样可以实现更深更暗的黑色和更亮更纯的白色，以及被汽车用户赞赏的优异景深。同时，GELOY XTW 树脂还是一种可以替代金属的“免喷漆”材料，因为不需要二次喷漆操作，使用它可以降低总体的系统成本。 Visualfx特效树脂用在汽车的内外部件上，同样也可以实现“免喷漆”。比如图示的福特汽车的换档旋钮（该旋钮也可采用GE的Geloy FXW751SK树脂制造）。Visualfx树脂能够实现多种视觉效果（例如：发光、漫反射及其他效果），使用它能够生产出流光溢彩的汽车外部部件。因为无需进行花销甚大的二次喷漆及涂层操作，Visualfx 树脂能够帮助设计师打破色彩设计上的局限。 该图为用GE的Geloy FXW751SK或Visualfx树脂制造的福特汽车的换档旋钮。与涂漆的部件相比，它可以长久地保持美观效果，不会像涂漆部件会随着时间的推移而褪色和掉色。 GE新型的Noryl* BN9003G树脂可以帮助汽车厂商生产吹塑扰流器如图示的Pontiac Grand Prix扰流器。由于其减少了打磨时间，提升了生产效率，因而降低了系统成本。与传统材料如高温丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)相比，用这一新材料注塑的部件壁更薄、耐高温性更好、抗张力和冲击力更强，并且热膨胀系数更佳。此外，这一新材料的气味较淡，而且扰流器表面的抗汽油和柴油的耐化学腐蚀能力更强。 此外，GE推出的用于汽车零部件的新型材料还包括用于踏脚板和脚蹬的Xenoy X4000BM树脂；用于外门和内门把手、踏脚板、轮毂罩、栅格、顶架和饰件的Cycoloy CP8930树脂；以及用于油箱盖的、导电的、可以在线静电喷涂的Noryl GTX树脂。 照明部件 采用GE高新材料公司的树脂所生产的汽车照明系统具有坚固、美观的特性，并且能够耐受聚光灯和雾灯的高热环境。全球数以百万计的汽车上都安装着用 LEXAN 树脂生产的具有高度抗撞击能力和高清晰度的前灯玻璃和表盘玻璃。如今，LEXAN 4401R 树脂代表着 GE 高新材料公司在树脂的流动性和耐热性的平衡技术上所取得的成功，这种材料非常适合制造既需要直接用金属法电镀（要求耐热性好），又要求具有高表层质量（要求流动性好）的表盘玻璃，同时它拥有更快的生产周期和更高的生产率。 ULTEM XH6050 树脂同样可以提供高模量和优异的耐热性能，它可以耐225的高温。该树脂具备极好的空间维度稳定性、强度和耐久性，并且可以通过标准设备实现 100% 的回收利用。 构架和内饰件 GE 高新材料公司汽车部在汽车构架和内饰件方面的经验非常丰富，其产品包括新型仪表板、车顶篷以及符号合“美国联邦机动车辆安全标准 (Federal Motor Vehicle Safety Standard)”及全球“行人冲撞保护要求”的能量吸收系统。其集成的前端模块 (Front-end Modules) 推动了汽车轻型全塑前端模块的发展，同时也推动了诸如 HydroPlast?架构的高级钢材/塑料系统和用于集成安全气囊设计的材料的发展。 随着GE的“新型仪表板计划”地推进， 该公司推出了一个既美观又安全的解决方案，该方案包含一个用 LEXAN EXL 树脂制造的无缝集成的安全气囊门的仪表板系统。这种革新的设计可以使气囊门与仪表板无缝结合在一起，不但美观，而且有助于释放出坚固的气囊，即使在-40的温度下释放气囊时也不会破裂，从而提高了气囊的安全系数。 HydroPlast?构架方案是一套金属/塑料的混合方案，这个方案结合了钢材的强度以及塑料的质轻这两个优点，而且这种构架可以在一个单一的、低成本的成型过程中完成。因为该方案有着可观的节省成本的前景，GE 高新材料公司将这个创新技术集中运用于汽车的大型首尾构架的开发，以帮助减轻车重、降低成本，同时减少体积，并简化零件的整合过程。HydroPlast? 构架和SmartLok?的连接允许高压力铸成的钢件与工程热塑性构架一次注模成型。 引擎盖下的部件 GE 高新材料公司可提供多种耐高热环境和能够适应苛刻的化学环境的工程树脂和复合物，其产品在引擎盖下的应用范围非常广泛，涉及到从空气进气系统到引擎盖下的各种应用。这些塑料部件能够降低成本、减轻重量、提高集成度，以及具有可与金属媲美的高空间维度稳定性。例如，由GE 的高耐热 ULTEM 树脂制成的电子节气门可以降低系统成本，并减少30% 的组成部件，而且与传统金属材料相比，它能够免除二次加工工序，并减轻多达 50% 的重量。 GE新型的柔性Noryl树脂用于制造汽车引擎盖下的电线电缆GE在引擎盖下应用的最新材料是基于阻燃的柔性Noryl树脂的电线材料，该树脂可以帮助OEM厂商替代目前使用的传统卤化电线材料。作为汽车行业创新的电线电缆材料的解决方案，柔性Noryl树脂要比聚氯乙烯(PVC)和交联聚乙烯(XLPE)的性能更为优越，它可以通过显著减轻电线电缆的重量和尺寸来满足节省能源和空间的需求，同时还满足了汽车行业对不含卤素和铅零部件的需求。汽车用塑料未来的发展随着汽车向轻量化方向的发展，塑料在汽车上的用量日益增加，特别汽车内饰件对材料提出了更高的要求。利用塑料的质轻、防锈、吸振、设计自由度大的特点，现代汽车用塑料结构件取得了长足的发展，并且是今后的重点发展方向之一。 塑料的特性 塑料是以合成树脂（聚合树脂或缩聚树脂）为主要成分，并根据不同需要而添加不同添加剂所组成的混合物，具有独特的性能： 密度小：每100Kg的塑料可替代其它材料200300Kg，可减少汽车自重，增加有效载荷。 物理性能良好：柔韧性较好，耐磨，避震，单位质量的塑料的抗冲击性不逊于金属，有些工程塑料、碳纤维增强的塑料等还远远高于金属。 耐化学腐蚀性：塑料对酸、碱、盐等化学物质的腐蚀均有抵抗能力，其中聚四氟乙烯是化学性能最稳定的材料；最常用的耐腐蚀材料，是硬聚氯乙烯，它可耐浓度达90%的浓硫酸，各种浓度的盐酸和碱液。 设计自由度大：可制成透明、半透明或不透明的制品，外观多种多样，表面可制作具有特色的花纹。 着色性好：可按需要制成各种各样的颜色，有黑、灰、白、桃木纹等。 加工性能好：复杂的制品可一次成型，能采用各种成型法大批量生产，生产效率高，成本较低，经济效益显著，如果以单位体积计算，生产塑料制件的费用仅为有色金属的1/10。 环保、节约能源：可回收利用，且每100km节油在0.5L以上。 但相对来说，塑料也存在一些缺点，如收缩率大，吸水性强，尺寸稳定性差，难以制得高精度制品，易燃，燃烧时产生大量黑烟和有毒气体，长期使用易老化、易变形；但通过改性可降低其缺陷。 汽车塑料未来的发展 塑料制品不仅能够减少零件数量，在降低噪声方面也起到了很好的作用。生产厂家应利用塑料制品成型的特点，尽量是多个零件一体化，减少数目，设法达到一次成型复杂零件的目的。汽车上塑料的使用量每年呈增长趋势，可以预测：这种趋势在今后还将继续。在汽车设计的诸多条件中，为了轻量化及降低成本，更多地采用塑料具有重要意义。今后的车用材料有从金属向塑料过渡的趋势。 1、以PP、ABS为主导的市场 据英国应用信息（AMI）报告，到2000年为止，轿车零部件消耗的热塑性塑料仍然以年均超过6%的速度递增，而由于PP价格低廉且性能优越，所以汽车内外饰件的发展将以PP为主，现在市场上使用的PP零件占市场份额的42%，且可望以每年8%的速度增长，特别集中的汽车内饰方面。 2、应用范围正在扩大 塑料在汽车中的应用范围正在由内饰件向外饰件、车身和结构件扩展，今后的重点发展方向是开发结构件和外装件。 3、开发复合型材料 复合型材料在汽车零部件上的应用也越来越显示其强大的生命力。汽车上使用复合材料的零件主要是仪表板、门护板、顶盖内护板、地毯、座椅及包裹架护板，它们基本上是由表皮(塑料、织物、地毯)，隔音减振部分(泡沫或纤维)和骨架部分组成，这种形式的零件除满足一定的使用功能外，又使人感到舒适美观，而且由于该种材料生产工艺简单，成本低廉、适用性强而发展得比较迅速，它将是今后汽车内饰材料的主要发展方向。 4、工程塑料的需求量将逐年增大 工程塑料，尤其是高性能工程塑料因其具有良好的机械性能、综合力学性能，还有耐热、耐酸，寿命长，可靠性好，而越来越广泛地用于汽车工业，其前景非常好，例如发动机上的一些零部件像调速阀、机动盘、气流盘、水泵、输油管、皮带轮罩、冷却风扇、油门踏板等等已开始使用PA、PPS、PBT等注塑或吹塑成型。 5、玻璃纤维增强塑料的应用也有进一步扩大的趋势 玻璃纤维增强塑料俗称“玻璃钢”，具有质轻、比强度高、耐腐蚀、电绝缘、耐瞬时高温、传热慢、隔音、防水、易着色，能透过电磁波，成型方便，具有可设计性等优点，广泛用于生产保险杠、车顶盖、导流罩、电瓶托架、挡泥板、前脸部件、裙边部件及车身壳体等。 6、向安全性方面发展 在现今交通事故不断、乘客安全受到威胁的情况下，部分内饰零件的安全性检验己纳入议事日程。比如，仪表板上表面的头部冲击试验；其下边缘的膝盖撞击试验；座椅靠背的身体冲击试验等，均要求被检验的内饰塑料不能碎裂，更不能碎片四溅或出瑰棱角伤人。因此，汽车内饰零件不仅要求舒适美观，更要求能保护乘客安全。 7、材料通用性 为了有效合理利用能源及原材料、降低汽车成本，不同类型轿车内饰件使用的材料可以归结到统一使用的几种材料上，这样事必会扩大这几种原料的生产规模，无论是在材料质量方面还是在成本方面都是最经济的。 8、废旧塑料的再生利用 随着人们环境保护意识的增强以及所面临的全球性能源和原材料危机，如何处理与利用好这些废旧塑料将是摆在世人面前的一大难题。无论是从充分利用地球资源角度，还是从环境保护的立场来看，都必须积极开展汽车废旧塑料的回收利用技术工作的研究。材料回收利用技术工作还应当配合环保法规的制定和废旧材料回收体系的建立，因此也是一项系统工程。 塑料废弃物回收利用的一般流程： 收集 分离 清洗和干洗 粉碎和增密 配料和造粒 回收和再生 塑料废弃物的处理和回收利用必须坚持“4R”原则，即：减少来源（reduction at the source）、 再使用（reuses）、循环（recycling）、回收（recovery）。 随着汽车向轻量化、环保化方向的发展，纳米技术在生产上的应用，塑料和复合材料研究的进一步深入，可以预料塑料将在汽车工业上的应用越来越广泛。其重要性不言而喻，开发并使用全塑汽车已不是梦想，一个塑料化的汽车工业时代即将到来。塑料在汽车工业的应用随着科技进步，汽车采用塑料是不可逆转的趋势，它对提高汽车效能、美观及轻量化的要求扮演愈来愈重要的角色。目前，汽车用塑料已由普通的装饰用途，发展至制造结构性及功能性的部件，要求也不断提高，例如耐热、高强度及抗冲击性便是最常见的要求，一般处理的方法是采用复合材料或塑料合金。目前，德国制造的汽车使用塑料平均约占用材的22%，是使用塑料最多的汽车工业国，而日本汽车使用的塑料则占用材的7.5%左右。 随着科技进步，汽车采用塑料是不可逆转的趋势，它对提高汽车效能、美观及轻量化的要求扮演愈来愈重要的角色。目前，汽车用塑料已由普通的装饰用途，发展至制造结构性及功能性的部件，要求也不断提高，例如耐热、高强度及抗冲击性便是最常见的要求，一般处理的方法是采用复合材料或塑料合金。目前，德国制造的汽车使用塑料平均约占用材的22%，是使用塑料最多的汽车工业国，而日本汽车使用的塑料则占用材的7.5%左右。 汽车内饰件包括仪表板、门内板、座椅、顶棚、门手柄等；外饰件包括保险杠、散热器格栅、档泥板、侧防撞条及灯类。例如制造侧防撞条可用PVC制成的中空型材，并把金属芯材插入其中；在高级轿车上，则用反应注射成形法制造PUR防撞条；如考虑循环再造的问题，便可以使用改性PP。事实上，由于改性PP及PE的性能较佳，其应用的发展正在加快。 据调查，目前汽车用外饰件的市场规模约19亿美元；而到2006年，其年均增长率可望达3.0%，届时的市场规模将达到22亿美元。 塑料外饰件采用五种主要的塑料，包括：热固性塑料、TPE(热塑性弹性体)、工程树脂、日用热塑性塑料以及合金或半合金。其中热固性塑料外饰件的市场最大，以5.6亿美元的规模占市场的三成左右，其市场增长也将是最快，在未来四年的年均增长率可望达4.4%。工程树脂目前占汽车塑料外饰件的第二大市场，其2001年的市场规模约5亿美元，但预计未来五年的年均增长率将会是最低。 汽车保险杠是TPE的重要应用领域，其中又以TPO(热塑性聚烯烃)为主。此外，汽车外壳的裙边模塑件、仪表透明罩、前大灯/信号灯的外壳以及车身内饰板等，也是使用塑料较多的部分，发展速度非常高。 纳米塑料更轻更强 纳米技术是近年全球的热门话题，无论在先进的航天工业，或是普通的纺织及塑料产品，都可以利用它来提升竞争力。该技术的基本原理是，控制原子在物质中的排列，工程师可以利用这个特性，因应工作环境的要求，人为地把原子排列成最理想的状态。例如纳米碳管轻巧及强度高，十分适合应用于航天工业。 纳米技术近年对塑料也有相当的贡献。先进的TPO纳米材料具有重量轻、表现良好及经济效益高等优点。此物料首次用于汽车外部件，便是在GM中型货车出现的复合部件，为一方便乘客上落的装置。该部件的强度高及重量轻，在寒冬时的脆性较低。由于没有额外使用添加剂，没有循环再造的问题。纳米复合部件与传统TPO部件的体积相约，但由于所需的物料更少，因此成本较低。纳米部件与热塑性塑料制品的生产程序一样，无需采用另类模具或考虑个别模具的设计。制造纳米复合物时，只需在树脂加入固体以提高强度，其使用的粒子极细，厚度只有10-6mm；相对来说，加入纤维的TPO的平均厚度高出一千倍。塑料车身板前景如何？Kermit Whitfield2005版通用土星Relay微型厢车于去年秋季推向市场，该车型最值得注意的一点是他没有了塑料车身板。尽管土星长久以来一直在聚合物车身板应用领域拔得头筹，而其他所有的汽车厂商仍然在应用传统的压铸钢。但是以前一度独立的土星（通用分公司）如今正越加紧密地回归通用的产品群，这意味着将会使用更多的钢材料。在即将于新的平台上生产推出的大SUV和Roadster（双座敞篷车）中，也将确定使用钢材制造车身板（尽管土星在这个项目上对外保持沉默）。这不得不让我们产生怀疑 ：如果使用聚合物材料的推动力正在日益淡出人们的视野，那么塑料车身板还有前景么？ 塑料的远去。土星曾生产了三百多万辆配备塑料车身板的汽车，但是 Relay车型却第一次采用全钢结构，而且这种情形还会不断发展下去。来自塑料材料供应商的回答无疑是“当然”，而且充满信心。事实上，他们如今对塑料材料的应用前景比过去更为乐观，这是因为他们综合市场、成本和技术各类因素，创造出更有利于塑料材料的应用环境，至少在某些特定的应用类型中，的确是这样的。汽车上主要引人关注的易碰撞点是挡泥板和车身板。据拜耳聚合物公司（Bayer Polymers）预测，到2010年，美国和欧洲仅就热塑挡泥板一项的市场需求就将翻上一番。而来自GE高新材料公司（GE Advanced Materials）车身板与玻璃装配部门全球项目总监Mutsuo Aoki先生更是指出，从2007年开始，“市场将发生爆炸性增长”。这是什么原因？根据Aoki先生的解释，汽车生产厂商，特别是位于如欧洲和日本等高能源成本地区的厂商，将日益对塑料车身板发生兴趣，因为塑料制车身板只有相应钢材料的一半重，这将有效减轻汽车重量，节省燃油。而且，在欧洲，由于对汽车前卫式样的需求再加上行人安全立法的出台，塑料材料将更具优势，这是由于塑料给了设计者更多的设计自由，而且在发生汽车碰撞时，塑料也比钢材更具安全性。 塑料供应商期望在未来几年中塑材能在挡泥板市场中出现火爆。 但是，宝马公司并没有为此等待，他在其新型宝马6系列车型中并 未曾使用GE高新材料公司的先进材料Noryl GTX resin。而在北美，除了燃油价格较低和车型式样保守以外，还有另外一些因素阻碍了塑料应用。其中最大的影响因素就是日趋小型化的生产运作以及日益扩大的车辆区别。塑料供应商承认在高年产量的情况下，无法与钢材供应商竞争，这是由于大量塑料模具的高成本以及注塑模成型的高循环周期造成了单件成本高于压铸钢件。但是，当年产量在8万件以下时，注塑成型塑料车身板的成本仍然低于大型级进冲压模的投资成本。由于具备该类年产量的汽车制造厂商数目不断增多，对于塑料车身板的需求也日益增加。当然，事实是，在美国不曾影响到塑料应用的钢材和汽油价格目前也在不断上升，因此汽车制造商也在其设计的新车型达到量产之前试图准确预测这些商品在未来几年的价格走向。 耐高温 对于塑料供应商来说，另一个令人乐观的原因是塑料材料的技术发展已大大引起了汽车制造商的兴趣。多年来，塑料车身板的最大致命缺点（阿基里斯的脚踵）就是其无法承受汽车喷漆炉的高温而发生变形。土星车解决这个问题的办法是，在进行总成装配前，将塑料车身板附着于立体模型架，然后进行低温电子喷涂工艺，但问题是，这项所谓“在线”工艺需要额外的空间和设备，并要在汽车制造厂中进行空间设计，这对于某些汽车制造商来说，并不愿意去做。另一个解决办法则是，在室内或供应商处进行离线喷涂，但是这个方法有点冒险，这是因为可能存在颜色吻合度的差异问题。拜耳聚合物公司车身外饰件分管经理David Loren先生称 ：“整车制造商曾说过，要么给我们在线喷漆的方法，否则什么也别给。”现在，塑料供应商终于完成了这个目标，研制出了能承受在线喷漆所必需的200摄氏度高温环境的各种塑料材料。能制造这类材料的公司有：罗地亚工程塑料公司（Rhodia Engineering Plastics）、拜耳聚合物公司（Bayer Polymers）和GE高新材料公司（GE Advanced Materials）。罗地亚工程塑料公司会计经理Gary Kachin先生声称 ：“在线喷漆能力能重振塑料车身板市场。” 抗伸缩 塑料供应商另一个较少成功克服的难题是塑料车身板在极端温度中的伸缩问题。塑料具有比钢更高的线性热膨胀系数（CLTE），因而需要更多的伸缩空间。这就需要更宽的车身板间隙，而大多数汽车制造商出于精密配合的质量考虑并不希望如此。这个问题理论上可以通过将挡泥板和车身板坚固固定于车门一侧并允许其向另一方向单向伸缩来得以改善。但是，其实并不理想，因为车门是必须能双向伸缩的，所以匹配性并不佳。因此，塑料需要在其配方中改变混合配比和增加矿物填充剂来减少其线性热膨胀系数，但是至今为止，仍然无法赶上钢材，也没有人相信能赶上。GE高新材料公司的Aoki先生称，可以通过智能的设计弥补热膨胀系数上的差距，他指出他所在的公司正在拓展智能塑料车身板调试设计工作。但是就如同土星一样，智能汽车的设计从头开始就以塑料为应用材料，但是汽车制造商并不愿意颠覆其已成熟的设计工艺来包容如聚合物车门这样的奇想。事实上，塑料材料之所以重新走红挡泥板和车身板市场，主要的原因是可以取消一些特殊的处理工序。 至于横向车身板件，例如发动机罩、车顶板和车层盖等，在可以预见的未来将仍然由钢材主导市场。这些大型板件需要很高的刚性，很小的变形度，而且能承受高温。这些并不是热塑力所能达到的性能。拜尔公司的Loren先生称，一些热塑材料，例如SMC，正在“慢慢开始涉入市场”。但是，很明显，没有人认为这在短期内会占据很大的市场份额。因此，回到我们文章最初关于塑料车身板的发展前途的问题，答案是：有前途但是前途有限。 还记得通用土星商务车由于安装了塑料车身板，而显示出的侧边安全反弹性能么？很好的主意，不是么？但是显然，并没有被广泛普及。现在的问题是：该技术会否发展下去？宝马汽车致力于塑料应用邓美宝在汽车讲求轻量化的时候，塑料在这领域找到它的用武之地。无论是车身、内饰件以及外饰件等地方，都可以找到不同种类的塑料应用。作为全球最大的汽车制造商之一，宝马(BMW)也因应潮流所趋，使用了大量的塑料。 宝马M3 CSL汽车宝马汽车在德国慕尼黑设有2家工厂，分别位于Landshut及Dingolfing，两厂共有员工超过26,000名，负责零部件制作、车款开发及组装工序，用于各款宝马汽车、摩托车以至一级方程式赛车。Landshut工厂生产合金、塑料外饰件及内饰件，以及汽车传动轴和备用发动机；Dingolfing则以组装为主，特色之处是其组装线灵活性高，一条组装线可装配4款不同型号的宝马汽车。 公司运作性能及材料开发总监Rudolf Stauber博士指出，现时轿车对减重的要求越来越高，所以有必要多采用塑料或轻金属来取替以往的铁制部件。以宝马7系为例，其总重量为1935千克，塑料部份占了14.5%。虽然这个数字可能还不太高，但Stauber博士预测，2005年聚合物及弹性体在汽车的使用将超过20%。 除了减轻汽车的重量外，Stauber博士还指出了几项未来汽车的发展重点：改善材料与环境的兼容性、提高司机及乘客的安全、提升实用价值，以及使用更多纳米技术。 宝马汽车现有使用的塑料大致包括热塑性塑料、热固性塑料、弹性体及热塑性弹性体等。如，与厚钢板制成的同类部件相比，革新性热塑性塑料车身侧板重量更轻，两块前侧板可降低每车重量大约4公斤。这一设计理念可进一步增强宝马6系车型的行驶动力性能。另一重要的优点是，采用塑料部件，宝马设计师可继续确保宝马6系Coupe和敞篷车型侧板从头至尾的优美线条。如果采用传统钢结构，不可能以同样方式将侧面装饰件整合于侧板内。而且，热塑性塑料作为一种可逆向成型的材料，与钢质材料相比，在一些碰撞中如停车时可能造成的轻微碰撞不会造成严重影响。 碳纤维增强塑料应用 宝马塑料应用的一个重点发展项目是重量轻的复合材料碳纤维增强塑料(CFP)。宝马BMW FW25单壳式一级方程式赛车就是利用这种超强的轻质材料制成。该材料的特点是： 1 CFP可大幅度减轻汽车重量，特别适合制作车体部件。现代汽车中，车体占整车重量的1520%，采用CFP塑料制成车体部件，其重量比铝材和钢材分别轻30%和50%以上。即，这一先进材料可减轻整车重量达10%。 2 除了大幅度减轻整车重量之外，CFP塑料车体部件的最大优势在于其在碰撞时表现出优异的强度和刚度。碳纤维厚度大约为0.007毫米，受力主要集中在纤维本身的定向流方向。因此，可选择合理的排列，将纤维彼此层叠构建，从而优化CFP塑料的特色功能和特性，将其调整到预期的强度和负载条件。 3 CFP塑料的另一优势是可制成高度整合的超大型车体部件，这些部件如果用铝材或钢板制成，制作过程十分复杂。这样，为车体设计和建造等方面提供了巨大优势，固定和支承等功能可直接整合于部件本体之中。即使复杂的结构件或整车模块，均可用同一模具一体化制作，从而减少车体所需部件的数量。 通过Landshut厂CFP塑料专家、宝马研究革新中心专家和宝马公司汽车工程师的密切合作而开发和设计，宝马BMW M3 CSL型汽车的车顶充分体现了采用轻质CFP增强车体结构的优势。为了保证部件所需的稳定性之外，考虑材料的光洁度和外观，还采用了最佳的生产流程，以利用透明层漆面展现CFP材料的组织结构。BMW M3 CSL型汽车车顶在Landshut厂分三个生产阶段制成。第一阶段中，将5层专用碳纤维层叠放置进行预成型。这一阶段的重要要求，同时也是这一过程的一项重大革新，是确保碳纤维妥善排列，准确到位，具备合理的结构，提供车顶所需的稳定性和外观。第二阶段是树脂压铸（RTM）注射工艺，将已预成型的多层碳纤维垫放入1,800吨压机，将透明型环氧树脂注射到材料之中。然后，车顶在高温模具中硬化，最后，由机械手从模具中拆除，漆上透明漆。 这一新的生产流程在全球属首次系列化应用，它体现了两个特点：首先，由于生产流程高度自动化，车顶制造所需的时间至少缩短了1/5。其次，与钢质车顶相比，宝马M3 CSL型汽车的车顶重量减轻了50%或6公斤。 仿真软件的应用 虚拟现实技术是设计中的重点技术，通过三维（3D）演示，使计算结果“有形化”，从而使整个开发队伍得到工作和结果的确实概念。在研制车身蒙皮革新部件的过程中，宝马采用了最先进的仿真法。如，在将塑料灌注于注射成型的车身侧板模具时，充分考虑了各种高温和机械因素，始终采用计算机辅助仿真程序。由此，宝马公司塑料技术专家优化了各部件的功能特色和品质。 侧板注射成型模具 左右侧板采用热塑性材料通过注射成型工艺制成。这一工艺中所用的注射成型模具，充分考虑了各个搭接点和工段，当然，也考虑了部件的复杂设计。因此，这是当今汽车制造业中最复杂的模具。侧板的特定外形和设计，要求采用至少9块滑动件，以形成水管、保险杠连接件、车门弯曲部分和轮罩法兰。当中的挑战是，热塑性塑料要求严格控制模具内温度，连同滑动件一起，必须能在120高温下顺利移动。另一要求是，必须确保宝马汽车保持高标准表面质量，不得留下模具或滑动件压印。 为了达到上述标准，宝马公司塑料技术专家自行开发了这一模具及其配套理念。结果，开发出了一套三压板式模具，其中，第三压板作为专用刮板机架。这一模具用于注射成型机上，能产生3200吨的闭模压力。材料的总体收缩率为1.7%，模具内收缩率大约为1%。清楚显示了极高的稳定力。 为防止滑动件在注射过程中移动，异型滑块必须精确设置和调整，公差在0.020.03毫米范围内。注射成型之后，5轴式机械手将部件拆除，模具及围绕工件整个周边的搭接件不会对部件造成任何损伤。然后，将注塑件从其它链段中切下，放置于冷却计上。 在下一工序中，一套全自动机械手将增强件由里向外粘贴在侧板内。粘贴之前进行等离子加工过程是预处理阶段中十分重要的工序，其目的是保证粘胶得到最佳粘接。最后，考虑到热塑性塑料部件的膨胀性，必须精密设置生产用模具和模头，精度达到数十分之一毫米。塑料取代金属材料推进汽车引擎部件的发展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生产气门套 ( 也称作摇杆或凸轮盖)，具有质量轻、成本低、设计灵活等优点。在欧洲尼龙气门套已被人们广为接受，但是在此之前美国对它还不是很认可。 玻纤增强尼龙已经在进气总管 (AIM)的加工中建立了牢固的地位，现在一些新型树脂也开始在以前金属占据优势的进气总管加工方面体现出自己的特性。 一种是Dow Automotive公司提供的间规聚苯乙烯尼龙 6混合料，用于俄罗斯产的小型汽车上。另外一种是Solvay Advanced Polymers公司的聚邻苯二甲酰胺(PPA)，一种耐高温尼龙，用在高功率引擎的配套元件中。 戴姆勒克莱斯勒公司动态 戴姆勒克莱斯勒公司（DaimlerChrysler）最近采用了二种新型塑料气门套。 一种是用于V-6 引擎的增强尼龙 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，一种用于 V8 引擎的热固性塑料，据说也是首次在气门套上使用，直接注射成型( 不是注射-模压成型)，薄壁设计（2.5 毫米）。 热塑性塑料气门套由肯塔基州Russell Springs市的Bruss North Amer