金属与非金属材料对汽车轻量化的影响

1、金属与非金属材料对汽车轻量化的影响1汽车轻量化1.1 汽车轻量化的必要性2007年，我国汽车销量达到了880万辆，汽车消费规模居世界第二。我国汽车产量和保有量的持续高速增长为汽车及相关行业的进步带来巨大机遇的同时，汽车工业也面临着一个巨大的挑战。汽车及相关行业的发展对社会能源供给、环境保护等方面的影响日益明显，因此要承受的节能减排的压力也日趋增大。有关研究数据表明，若汽车整备质量降低10%，燃油消耗可减少6%8%。由此可见，伴随轻量化而来的突出优点就是油耗的显著降低。尤其汽车车身约占汽车总质量的30%，对空载而言，约70%的油耗是用在车身质量上的，因此车身的轻质化对减轻汽车自重，提高整车燃料经

2、济性至关重要。同时，轻量化还将带来车辆操控稳定性和冲撞安全性的提升:因为车辆行驶时的颠簸会因底盘重量减轻而减轻，整个车身会更加稳定；轻量化材料对冲撞能量的吸收，又可以有效提高冲撞安全性。因此汽车轻量化已成为汽车发展产业中的一项关键性研究课题。汽车轻量化的技术内涵是:采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能降低汽车产品自身重量，以达到减重，降耗，环保，安全的综合指标。然而，汽车轻量化绝非是简单地将其小型化而已。首先应保持汽车原有的性能不受影响，既要有目标地减轻汽车自身的重量，又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性，同时汽车本身

3、的造价不被提高，以免给客户造成经济上的压力。1.2 实现汽车轻量化的主要途径1.2.1 合理的结构设计目前国内外汽车轻量化技术发展迅速，主要的轻量化措施是轻量化的结构设计和分析，设计已经融合到了汽车设计的前期。轻质材料在汽车上的应用，包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等，并在前期与结构设计以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用融为一体。在现代汽车工业中，利用cad/cae/cam一体化技术起着非常重要的作用，涵盖了汽车设计和制造的各个环节。运用这些技术可以实现汽车的轻量化设计、制造。轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化。利用cad

4、/cae/cam一体化技术，可以准确实现车身实体结构设计和布局设计，对各构件的开头配置、板材厚度的变化进行分析，并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该车的相关数据进行工程分析和刚度、强度计算。对于采用轻质材料的零部件，还可以进行布局进一步分析和运动干涉分析等，使轻量化材料能够满足车身设计的各项要求。此外利用cad/cae/cam技术可以用仿真模拟代替实车进行试验，对轻量化设计的车身进行振动、疲劳和碰撞分析。通过开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术，使节能型汽车从制造到使用的各个环节都真正实现节能、环保。通过结合参数反演技术，多目标全局优化等现代

5、车身设计方法，研究汽车轻量化结构优化设计技术，包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块等。从结构上减少零部件数量，确保在汽车整车性能不变的前提下达到减轻自重的目的。具体结构合理设计有以下3个方面:1)通过结构优化设计，减小车身骨架，车身钢板的质量，优化对车身强度和刚度进行校核，确保汽车在满足性能的前提要求下减轻自重。2)通过结构的小型化，促进汽车轻量化，主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下，缩小尺寸。3)采取运动结构方式的变化来达到目的。比如采用轿车发动机前置，前轮驱动和超轻悬架结构等。使结构更紧凑，或采取发动机后置，后轮驱动的方式，达到使整车局部变小，实现轻量化的目标。1.2.

6、2 使用新型材料据统计，汽车车身、底盘(含悬挂系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65%以上。其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此，首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体说来可以有如下几种方案:1)使用密度小、强度高的轻质材料，像铝镁轻合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；2)使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；3)使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。2高强度钢在汽车轻量化中的应用有资料表明，使用高强度钢板，原厚度为1.0-1.2

7、mm的车身板可减薄至0.70.8mm，车身质量减小15%20%，节油8%15%，为此，世界各国大力开发各种高强度钢板，主要包括双相钢(dp钢)板以及目前最先进的相变诱发塑性钢(trip)板等等。与常用的低合金高强度钢相比， 在相同强度级别下， dp钢具有低的屈强比、较高的伸长率（均匀伸长率和断裂伸长率）以及很高的加工硬化率。其高的伸长率是由于在软的纯铁素体基体内分散细小的硬马氏体或贝氏体颗粒所致。dp钢在维持高强度的条件下， 其伸长率比一般微合金钢和烘烤硬化钢或含磷钢好，因此双相钢具有良好的成型加工性能， 避免了常用的普通低碳钢成型过程中存在的形状稳定性弹性后效低的缺陷， 非常适合制造汽车零部

8、件， 如车身覆盖件以及底盘结构件等。高强度低合金系列中的trip钢是一种新型汽车结构用钢， 它利用组织中存在的残余奥氏体在应力应变作用下向马氏体转变而诱发相变塑性， 同时又达到强化目的， 具有优异的可成型性和高强度。因此trip钢具有良好的塑性，能冲制出形状复杂的零件。与其他冲压用钢板相比，trip钢有良好的加工硬化和烘烤硬化性能，采用它制造车身零件可以提高疲劳性能和抗撞性能，并且可以减少钢板的厚度从而减轻汽车的质量，对节约能源、减少排放和提高安全性有显著效果。3轻质材料在汽车轻量化中的应用3.1 轻质金属材料在汽车轻量化中的应用3.1.1铝合金在汽车上的应用及特点3.1.1.1铝合金的特点铝

9、是人们最熟悉的金属之一，在纯铝中加入cu、mg、zn、si、mn、稀土等合金元素配制成各种铝合金，再用强化措施来提高其强度、硬度、疲劳性能等材料综合性能，以满足工程应用的需要。与钢铁相比，铝合金具有质量轻、导热性好、耐腐蚀性好、易于加工等特点。而且铝材几乎可以全部回收，重新加工使用，有利于环境保护；有些铝合金材料的物理性能已与车用钢材相似，具有相当的强度和刚度。铝合金零部件的应用，可以大大减轻整车质量，根据美国铝学会的报告，汽车上每使用0.45kg铝就可减轻车重lkg，理论上铝制汽车可以比钢制汽车减重40%左右。因为铝合金具有以上优点，所以铝合金成为近二十年来在国内外汽车上使用最多的轻量化材料

10、。在欧美产轿车中，平均使用铝材量达到了200kg左右，铝化率约为20%。国内轿车工业用铝也呈现快速增长态势，据中国汽车工业协会统计预测，1993年国内轿车工业用铝量仅为4万吨，2003年为28万吨，2005年，上升到34.6万吨。预计到2010年，我国轿车工业用铝将达到99.6万吨。3.1.1.2铝合金在汽车上的应用用于汽车上的铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金在汽车上的使用量最多，主要应用于发动机和底盘部件(见表1)，变形铝合金包括锻造铝合金和铝合金板材等，主要应用于车身和热交换系统部件(见表2)。2000年铸造铝合金的质量占整车质量的4%，2006年这一比例已上升到了8%；锻造

11、铝合金的这一比例由原来的2%上升至6%，而铝合金板材由1.7%上升到了4%。表1 汽车用铸造合金的主要部件系统部件系统零件名称发动机系统发动机缸体、缸盖、活塞、进气管、水泵壳、发电机壳、起动机壳、摇臂、摇臂盖、滤清器底座、发动机托架、正时链轮盖、发动机支架、分电器座等底盘传动系统变速箱壳、离合器壳、连接过渡板、换档拨叉等底盘行驶和控制系统横梁、上臂、下臂、转向器壳、制动分泵壳、制动钳、车轮、操纵叉等其他系统部件离合器踏板、制动踏板、方向盘、转向节、发动机框架、abs 系统部件表2 汽车用变形铝合金的主要部件系统部件系统零件名称车身系统部件发动机罩、车顶蓬、车门、翼子板、行李箱盖、地板、车身骨架

12、及覆盖件等热交换器系统部件发动机散热器、机油散热器、空调冷凝器和蒸发器等其他系统部件冲压车轮、座椅、保险杠、车厢底板及装饰件等1）发动机一般情况下，发动机约占整车重的18%，发动机的轻量化是整车轻量化的重要组成部分。铝合金作为制造汽车发动机的结构材料有两个突出的优点:一是质量轻，采用铸铝合金来代替铸铁生产气缸体，6缸汽油发动机缸体可以减轻质量66.588kg(见表3)，较大幅度地减轻了汽车自身质量；二是它的导热性比铸铁好。使用铝制气缸盖和气缸体可以改善发动机的工作状态，提高其热效率，从而改善和提高发动机的功率。表3 铝铸件代替铸铁件的质量对比表零件名称铸铁件质量kg铝铸件质量kg质量比发动机缸

13、体8012013. 5323. 84. 4 :1发动机缸盖18276. 811. 42. 42. 7 :1进气歧管3. 518. 01. 89. 02 :1转向机壳3. 64. 51. 41. 82. 52. 6 :1传动箱壳13. 523. 05. 08. 22. 72. 8 :1制动毂5. 59. 01. 83. 62. 53. 1 :1水泵壳1. 85. 80. 72. 32. 42. 6 :1油泵壳1. 42. 30. 50. 92. 62. 8 :1发动机气缸盖、活塞、连杆、摇臂等零部件早已跟随汽车工业的发展需要，用铝合金材料替代了黑色金属材料。现代汽车发动机活塞几乎都用铝合金制造，

14、材料以共晶铝硅合金为主，采用重力铸造、液态模锻、锻造等方法制造成型。国外常用于发动机气缸盖的铝合金为asm319(美)而中国为zl101合金，其铸造方法为金属型重力铸造和低压铸造工艺。英国陆虎的高精度铝缸盖铸件，其质量仅是铸铁缸盖的6%，切削量减少20%。目前，轿车发动机部件中不仅活塞、散热器、气缸盖等部件采用铝合金材料，而且缸体、油底壳甚至气缸套和连杆也开始采用铝合金材料。日本、德国等国外的一些汽车公司根据汽车轻量化发展的需要，已开发或使用了全铝发动机，比如日产的vq发动机，宝马的m52直列六缸发动机，奔驰的v6和v8发动机、奥迪a8的v8发动机等。2）车身汽车车身的重量约为汽车总质量的30

15、%。所以汽车车身的轻量化对于减轻汽车自重具有非常重要的意义。在汽车车身上主要使用的是变形铝合金(见表2)。上世纪80年代，铝合金板材开始用于车身发动机罩、翼子板、顶盖。随着冲压和成形技术的发展，铝合金板材逐渐被应用于车门、行李箱盖、车厢底板、车身框架、保险杠等更多的车身部件。德国大众公司于1999年推出新型奥迪a2轿车，该车荣获2000年欧洲铝业协会奖，是世界上第一款大批生产的全铝车身轿车，车身采用全铝空间框架车身asf，整车铝外壳，从前顶柱到行李舱边，包括车门手把都是用铝合金冲压成型。该车采用铝材使整车质量比传统钢制车身减轻40%以上，仅有895kg，空气阻力系数仅为0.25，平均油耗降至每

16、百公里3升。2002年推出的全新奥迪a8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%，还比同类车型的钢制车身车重减少50%。就铝合金板材的应用发展趋势看，强度高、成形加工性好、表面质量优良的铝合金板材将取代钢板成为汽车车身的主要材料。3）底盘铝合金在汽车底盘上的应用主要体现在车轮和悬挂系统零件上。车轮是车辆承载的重要安全部件，对其安全性要求很高。铝合金轮毂较钢制轮毂平均轻2kg左右，其温度比钢制轮圈平均低25%，当车速为60km/h时可省油5%-7%。铝合金轮毂在汽车上得到广泛采用，正逐步代替长期占主导地

17、位的钢制车轮。1999年，北美轿车和轻型卡车轮毂铝化率达53%，预计2010年北美汽车铝合金轮毂的市场占有率将上升到70%以上。2002年至今，由于我国汽车制造业快速发展，汽车铝轮行业出现了强劲增长势头。据中国汽车工业协会车轮委员会公布的数据显示， 2003年我国生产汽车铝合金车轮2300万件，出口1200万件；2005年生产汽车铝合金车轮4500万件，出口2300万件。悬挂系统中的汽车下摆臂、上摆臂、横梁、转向节类零件均可用铝材制造，可以显著减轻非悬挂重量，从而改善汽车的行驶稳定性、乘坐舒适性和安全性等。宝马5系轿车和奔驰s级轿车采用全铝悬架支架，使悬挂质量减轻了15%。3.1.2镁合金在汽

18、车上的应用及特点3.1.2.1镁合金的特点镁的比重约为1.7g/cm3，是目前在工程应用领域中最轻的金属，镁合金也是目前工业上可用的最轻的金属结构材料。它可在铝合金零件减重效果的基础上，再减重l5%20%，对于汽车减重是非常理想的金属材料。与其他普通的金属结构材料和工程塑料相比，镁合金具有质量密度小、比强度和比刚度高、熔点低、铸造性和阻尼减震性好、热导率高、尺寸稳定性高、电磁屏蔽性能好以及回收利用率高等优点。另外，镁在自然界中具有丰富的蕴藏量，是地球上排位第8的富有元素，其含量约占地壳质量的2.8%，它也是海水中的第3富有元素，约占海水质量的0.13%，是取之不尽的资源。充裕的镁资源为推进镁合

19、金在汽车上的应用和普及提供了良好的平台。3.1.2.2镁合金在汽车上的应用从上世纪90年代开始，欧美、日本的汽车公司都逐渐开始把镁合金用于许多汽车零件上。到目前为止，汽车上共有60多个零部件采用镁合金。按使用部位性质的不同，分为壳类和架类两类零件。壳类零件采用高塑性的镁合金不仅可减轻质量，且由于镁合金的阻尼衰减能力强，还可提高汽车抗振动及耐碰撞性能，降低汽车运行时的噪音；主要包括气缸盖、离合器壳、变速器壳、滤油器壳、空气滤清器壳、分动器壳、增压器壳、灯罩等。架类零件包括方向盘、仪表盘、风扇架、挡泥板架、踏板托架、转向支架、刹车支架、灯托架、座椅架、车身支架、车门框架、轮毂等。其中仪表盘基座、座

20、位框架、方向盘轴、发动机阀盖、变速箱壳、进气歧管、汽车车身等7个部件镁合金的使用率最高。镁合金压铸件在国外的汽车产品上应用量增长最快，镁合金已成为仅次于铝合金铸件的重要的汽车产品材料。目前，欧美轿车上镁合金平均用量大约为40kg/辆。我国经过“十五”镁合金重大专项攻关，在一些车型上已采用镁合金变速箱壳体、方向盘骨架等。长安微车上单车使用镁合金已达到9kg，是目前镁合金用量最大的微车。预计到2010年，重庆长安生产的每辆小汽车，都将用上20kg左右的镁合金材料。目前，应用镁合金的主要障碍是镁合金的价格高，防腐处理以及六方结构镁合金变形能力较差等问题，随着镁合金材料应用的扩大，这些问题将会逐步解决

21、。3.1.3钛合金在汽车上的应用钛是上世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属。钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高、无磁性和超导性等特点在航天航空等尖端科技方面发挥着重要作用。但目前由于钛合金材料价格高，加工条件复杂，在汽车上的应用还不够普及，仅应用于赛车和豪华车上。钛合金在汽车零件中的应用主要有:钛合金连杆，意大利新型法拉利3.5升v8发动机首次使用钛合金连杆，比钢制连杆轻30%；钛合金气门，用钛合金制成的气门比钢制气门轻3040%，可提高极限转速20%；钛合金弹簧，钛合金可用于发动机气门弹簧、悬架弹簧上。用钛合金制造板簧，与抗拉强度达2100mpa的高强度钢相比，可降低自重20%。除

22、此以外，钛合金还应用于制造凸轮轴、车轮、气门座圈、涡轮转子、排气系统零件等。3.2非金属材料在汽车轻量化中的应用塑料因其具有以下几个特点密度小、比强度高。对酸、碱、有机溶剂等都具有良好的抗腐蚀能力。良好的绝缘性能。良好的减摩、耐磨和自润滑性能。良好的吸振性能。易加工成型。塑料制品能吸收大量的碰撞能量,对强烈撞击有较大的缓冲作用。,上述特点使其在汽车材料中的应用比例不断增加，如今，汽车塑料化已是一个国家汽车工业技术水平的重要标志之一。塑料在汽车上的应用包括保险杠、翼子板、装饰件、散热器面罩、油管、燃油箱和仪表板等。汽车用塑料零部件主要有3类：内饰件、外饰件和其它结构功能件。塑料生产商还在设法更多

23、地用塑料来制造车厢地板、车窗、转向轴、弹簧、车轮、轴承和其他功能件。汽车塑料品种有聚乙烯、聚丙烯、abs、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、san及聚氨酯等，一般使用的都是它们的改性材料和复合材料。3.2.1塑料在汽车中的应用3.2.1.1内饰件汽车内饰件所用塑料量已占整车用塑料量的一半左右。汽车塑料内饰件特别强调触觉、手感、舒适性和可视性等特点，其所用材料应满足表面不反光、无异味、不产生致使车玻璃变模糊的物质、表面污物易除去、阻燃性好等要求。以前的汽车内饰件应用较多的有pvc、abs和pu等。目前，在仪表板、内护板和座椅中，pvc已逐渐被其它塑料所取代，门内手柄、

24、杂物箱、门槛饰条及其它零件已更多地使用改性pp、abs、smc及塑料合金等。目前，汽车内饰件主要有仪表板、方向盘、安全气囊、座椅、车门内板和顶棚等。1)仪表板汽车仪表板在汽车内饰中起着安装仪表、收录机、空调开关、暖风及各种灯具开关的作用。目前使用的仪表板主要为硬质和软质两种。硬质仪表板一般用pp、pc、abs和abs/pc等材料一次性注射成型，并有很多零件拼装而成。此类仪表板表面质量要求很高，对材料要求耐湿、耐热且刚性好、不易变形，但由于目前多采用多点注射成型，易形成流痕和粘接痕，容易产生色差，因此表面需经涂装才能使用。高档仪表板追求质感，故在仪表板表面装饰一部分桃木饰纹也是一种发展方向。软质

25、仪表板外表皮采用真空成形后，中间填充缓冲类发泡材料(如pu)，并与金属或塑料骨架固定而成，也有外表皮采用搪塑后与半硬质聚氨酯泡沫塑料、骨架固定的方式。一般档次的汽车，如桑塔纳、一汽捷达，其骨架材料用硬纸板、木材；时代超人和武汉富康用的是pc/abs合金；奥迪和一汽红旗则采用钢板骨架；也有用abs、改性pp或frp做骨架等。表皮材质可有两种选择，一种为软聚氯乙烯与abs共混后采用压延薄片而成；另一种为软聚氯乙烯与abs采用复合薄片的形式，两种薄片的表面都可以压延成所需的装饰性花纹，如桑塔纳、捷达及富康均采用pvc/abs，并带有皮纹。半硬质缓冲类发泡材料pu的开孔性使得此类仪表盘具有良好的回弹性

26、，并能吸收50%70%的冲击能量，且安全性高，耐热、耐寒、坚固而耐用，手感好。但是由几种材料构成的软质仪表板的再生利用极为困难，因此正在发展用热塑性聚烯烃tpo表皮和改性聚丙烯pp骨架及聚丙烯发泡材料构成的仪表板。如本田公司正在开发的新型civic车仪表板就已使用tpo材料，并准备在内饰件中逐步取代pvc。欧洲汽车仪表板以abs/pc及增强pp为主；美国汽车多用苯乙烯/顺丁烯二酸酐sma，这种材料耐热、耐冲击，并具有良好的综合性能；日本汽车的仪表板曾采用过abs及增强pp材料，目前以玻璃纤维增强的san为主，也有采用耐热性更好的改性ppe。visteon公司在用tpo、pu2t或pvc制造仪表

27、板时，采用层压注塑技术，使仪表板表面在一次成型中各部位硬度不同，如马自达公司2002年开发的tribute车就采用了此种仪表板。2)方向盘方向盘一般采用自结皮硬质pu泡沫材料高压或低压发泡而成。方向盘结构要求挺拔、坚固、轻便、外韧内软，并能耐热、耐寒、耐光和耐磨，包覆物多用改性pp、pvc、pu和abs等树脂。骨架一般选用钢骨架与铝压铸而成，从轻量化考虑，有用玻璃纤维增强pa替代铁芯的趋势。为了追求豪华、舒适和手感，方向盘表面部分增加了桃木饰纹或真皮包皮等。我国生产的方向盘基本都是半硬质自结皮聚氨酯泡沫塑料作为外覆盖件，内部由钢骨架经焊接而成，固定在铝合金模具或低熔点合金模具内经发泡机注压为成

28、品。3)安全气囊为保证驾驶员和前排乘客的安全性，许多轿车设置有安全气囊。2000年北美生产的汽车约9%在车门和座椅部位安装了侧面安全气囊，3%安装了帘式气囊，而到2005年则可能分别达到50%和26%。同时欧洲和亚洲的汽车厂商也在增加侧面和帘式气囊，因此安全气囊的应用量将不断增加。气囊材料不仅要能承受高低温的考验，同时要有高的冲击强度和撕裂强度。目前安全气囊主要由橡塑材料构成，如大众汽车公司lupo型车的安全气囊外套就采用了杜邦公司的长玻纤增强尼龙66-zytelefe8089来制造。近来国外也有报导用akulon(pa6、pa66)以及amitel (tpe-e)来制造安全气囊。汽车安全气囊

29、盖板现已有用聚酯弹性体tpee来制造，它是由lg化学公司依靠自有的合成和共混技术独立开发的，兼具橡胶的柔韧性和工程塑料的强度及热可塑性，此外，还有优良的热稳定性和耐候性能。在汽车工业领域，sl-5047d、sm-5047d、sm-5055d三种型号产品是生产气囊盖板的首选原材料，现已被韩国现代及起亚汽车所采用。4)座椅及其配套系统座椅上的高分子材料有表皮、骨架和缓冲垫。表皮材料可选用pvc人造革、各种化纤纺织品、真皮、真丝和毛织品。目前采用较多的是纺织物+pu+针织合成纤维，而座垫及靠背则基本上是由软质pu发泡制成。座椅缓冲材料为模压发泡的软质高弹性pu。软质pu发泡材料可用热硫化层和冷硫化法

30、生产，但从设备投资和材料性能考虑，目前多用冷硫化法生产。dupont公司和quantunm集团联合开发的热塑性聚酯弹性体不仅有良好的抗蠕变性、冲击性、抗疲劳性，还有良好的低温弹性，用它制作座椅比用传统的泡沫塑料座椅更轻，省去泡沫塑料座椅必须的弹簧，可明显地改善乘座的舒适度。plporter公司生产的自动座椅靠背调节系统使用了长玻纤增强尼龙66，其拉伸和压缩强度均符合要求；使用玻纤增强尼龙66制作倾斜杠杆，除可减少磨损还可降低1/3的成本。5)车门内板车门内板的构造基本上类似于仪表板，由骨架、发泡材料和表皮材料所构成。以国产红旗和奥迪轿车为例，车门内板的骨架部分均由abs注塑而成，再衬pu发泡材

31、料的针织涤纶表皮，以真空成形的方法复合在骨架上形成一体。最近开发成功的低压注射-压缩成型方法，是把表皮材料放在还未凝固的聚丙烯毛坯上，经过压缩层压成为门内板。表皮材料为衬有pp软泡层的tpo，这类门板易回收再生。中低档轿车的门内板可用木粉填充改性pp板材或废纤维层压板表面复合针织物的简单结构，即没有发泡缓冲结构，有些货车上甚至使用直接贴一层pvc人造革的门内板。在美国，门内装饰板用abs或pp注塑成形的居多，我国国产斯太尔王也使用同类技术。欧洲汽车内饰板一般采用增强聚丙烯pp板材放填充物再包皮的结构，填充材料大多数采用薄的聚氨酯泡沫塑料片，表皮材料为pvc，也有使用织物的趋向。近年来，车门内饰

32、板为满足耐候性和柔软性，已开始使用热塑性弹性体与pp泡沫板相叠合的结构。日本开发了一种冲压成型连续生产全pp车门内饰板的技术，门板包括pp内衬板、pp泡沫衬热层和pp/epdm皮层结构；另外，设计者为了有效提高驾驶室的可利用空间，采用车门内板与车门扶手一体化造型，应用改性pp或abs做骨架材料，再复合软材料制成整体门内板，国产“黄河王子”现已采用了该技术。6)顶棚车内顶棚是内饰件中材料和品种花样最多的一种复合层压制品。它的作用除装饰功能外，还起着隔热、隔音等特殊功能。顶棚由基材和表皮构成。基材要求轻量、刚性高、尺寸稳定和易成型等特点，为此，一般使用热塑性聚氨酯发泡内材，如pp发泡片材、玻璃纤维

33、瓦楞纸和蜂窝状塑料带等。表皮材料可用织物、无纺布、tpo和pvc等。我国轿车顶棚一般使用tpu发泡片材、玻璃纤维及无纺涤纶布等材料层压成型。3.2.1.2外饰件传统的汽车外饰件是由金属合金制造的，然而金属易产生腐蚀，若改用塑料，厂商不仅能够降低生产成本，开发出更时尚和更符合空气动力学的外型，而且可大大减轻汽车的质量。目前，汽车外饰件主要有:汽车保险杆、车身面板、汽车窗、翼子板和汽车照明灯具等。1）汽车保险杠保险杠是轿车的主要外饰件之一，也是使用塑料较多的部件，常用材料有smc、gmt(玻纤增强热塑性塑料)和改性pp等。现在的保险杠有的直接采用注塑成型，如桑塔纳和奥迪2100等的保险杠。但大多是

34、由骨架和面板两部分组成。面板多是以改性pp或pc/pbt合金制造，如桑塔纳轿车的面板材料采用共聚丙烯加热塑性弹性体(pp/epdm)，再加入助剂，经注塑成型。用pp/epdm制成的汽车保险杠具有刚性高、冲击性能好、耐损伤性、光泽和弹性较好及易涂装性等性能，在汽车高速行驶时受到冲撞不易破碎，且装饰美观。国外不少中高档轿车保险杠采用的是pc/pbt合金制成的，用此材料不仅机械性能好，而且冲击强度比pp+弹性体高出许多，并易于焊接和涂装。如美国ge公司的pbt/pc合金，其中的xenoy-xt尤适用于汽车保险杠。daimler-chrysler公司的town、country和caravan车的后保险

35、杠就使用了该种塑料合金。目前世界上几家生产工程塑料的大公司，如拜耳和巴斯夫等公司生产此类材料。据统计，塑料保险杠目前已占世界汽车保险杠用料的90%以上，就目前的发展来看，改性pp或pc/pbt合金不利于回收利用，所以国外有汽车公司采用单一的热塑性弹性体(tpe)来制造汽车保险杠的面板，而用玻纤增强pp来制造骨架材料，因都是同一族的材料，有利于回收再循环使用。目前世界保险杠市场采用tpe已经占有了53%的份额。2）车身面板根据国外的研究表明，塑料车身材料的整体技术要求为:阻燃性好、耐热性高、耐化学腐蚀性好、可在线喷涂、成型收缩率低、尺寸稳定性好及低温冲击强度高等。塑料车身面板最常用的塑料有smc

36、、rim聚氨酯和其他热塑性塑料，这3种体系都需用玻璃纤维增强其刚性和功能。塑料首次在面板中应用的是雪佛兰的corvette(smc技术)，然后是pontiac的fiero (rim技术)，通用汽车的saturn是最早使用热塑性塑料的。杜邦公司开发的车身塑料板材以玻纤增强为主，所应用的部件包括前后盖、车门、车身垂直板、挡风板、轮胎护板、装饰边梁甚至整个车身。美国通用和杜邦等公司已开发出数种塑料车身板材，有些在整车或概念车中得到了实际应用，有些专用材料尚属于试验阶段。如ge塑料公司开发的车身专用料xenoy是pc/pbt聚酯合金材料，其非结晶的pc保证了面板的冲击性和韧性，结晶的pbt提高了面板的

37、耐热性、耐腐蚀性和抗紫外线性能。专用料norylgtx是ppo/pa合金材料，其具有聚苯醚的耐化学腐蚀性和尼龙的高流动性。该公司开发的第二代solix彩色热塑性塑料被用来制作车上面板，不仅表面硬度高，光泽度如同金属面板，且耐腐蚀性也比金属面板好得多。pet价格便宜、容易回收，近几年在国外汽车中的应用也有了较大进展，如daimler-chrysler公司的复合材料概念车就选择了pet作为车身材料，还首先将pet车身技术商业化并应用于该公司2001年wangler吉普车的顶盖，比用smc顶盖减轻质量近30%，成本降低10%，生产效率提高30%。此外，塑料/金属复合材料也被广泛用来制造各种车身面板件

38、，如ford公司与misslbeck公司合作，在2000年的fucus车上就采用这种塑料/金属复合材料制成了格栅加强结构。国内塑料车身板件的应用主要集中在大客车顶盖和后围板，全塑车身轿车尚未形成批量；目前车身外板件多采用frp材料为主，部分车型车身部件采用smc材料工艺。国内smc车身外板件较成熟的工艺为手糊fpr和smc，rtm工艺应用较少，而热塑性注射成型外板件几乎为零。3）汽车窗车用玻璃的面积从20世纪50年代的212m2逐渐增加到20世纪90年代的319m2，21世纪车用玻璃面积有了新的增长。目前汽车窗玻璃大多数仍以钢化玻璃制成，它比塑料重两倍，所以窗玻璃塑料化也是减轻整车质量的又一手

39、段。但车用玻璃塑料化必须解决其尺寸稳定性、耐表面划伤和耐光老化等问题。国外主要通过表面处理以提高塑料玻璃窗的耐划伤性和耐候性，如采用硅系表面涂硬剂，随着硅系、钛系及陶瓷硬化涂覆剂的开发，塑料玻璃表面性能不断提高。日前，德国拜耳聚合物公司和美国ge塑料公司合资的exatec公司推出了业内第一个进入市场的聚碳酸酯汽车窗专用塑料系统exatec500，该系统具有杰出的耐候性和耐磨性。据报导，battenfeld公司与sunnerer technology公司也已开发出低成本，采用pc生产大型塑料车窗的新方法。聚碳酸酯车用玻璃窗塑料化具有以下特点:减小自身质量，与普通玻璃相比较，自身质量降低了50%；

40、汽车的质心降低，提高了行车安全性；节油；光学性能与常用玻璃相当；隔声效果优异，可有效地阻隔由风和外部等产生的高频噪声。据ge公司人士指出，采用pc汽车窗还可以革新窗的设计和安装位置，以及开启窗户的机械系统，加上汽车发生碰撞事故时窗户不会伤及人员等一系列优点，因此应用前景看好。4）翼子板法国巴黎的标致-雪铁龙汽车公司采用热塑性塑料生产的塑制翼子板比钢制翼子板质轻1kg以上，且前者有更好的冲击性能，这有助于提高轿车的保险等级。ge公司出品的norylgtx品级尼龙改性聚苯基醚(ppe/pa)是用于生产汽车翼子板最常用的热塑性塑料。而美国雷诺(renault)汽车公司也已宣布将来其生产的汽车将全部采

41、用塑料翼子板。目前也大量采用热固性复合材料来生产汽车翼子板，如最先在espace牌客货两用车以及avantime牌5座双门小客车上使用了塑料翼子板；法国标致307型小轿车上也已安装了塑料翼子板；意大利菲亚特(fiat)汽车公司也将采取同样的方法；德国大众(volkswagen)汽车公司于2002年新推出的phaeton牌旗舰豪华轿车采用了聚氨酯翼子板，并利用原厂生产设备将这种聚氨酯翼子板安装在touareg牌多功能运动车(suv)上；美国通用汽车公司(generalmotors)生产的雪佛兰(chev-rolet)汽车也已装备聚氨酯翼子板。5）汽车照明灯具汽车照明灯具以塑料替代金属，不仅可减轻

42、质量，并使造型更加变化多样。目前汽车照明灯具塑料件占整灯的质量已由原来的10%上升到90%以上。制造汽车灯具用的塑料要求具有耐热性、冲击性能好、耐热老化、耐环境应力开裂和良好的光学性能等，用于车灯配光镜的材料还要求具有优良的透明性。在轿车前照灯配光镜pc材料选择应用上，必须选用专门用于车灯的光学型透明pc，其透光率必须在90%以上，并且有长期抗黄色指数衰变的能力。由于pc材料耐磨性差，还必须配合使用专门用于车灯pc的超硬涂膜，从而进一步提高了耐擦伤性和耐候性。在车灯信号灯配光镜材料的选择上，材料颜色的耐气候老化是一个重要的选择因素，所以在信号灯的配光镜材料上大部分应用了耐候性材料pmma。时代

43、超人的全塑灯具，其前照灯无花纹光亮设计的配光镜采用了光学级pc注塑成型并加上超硬涂膜替代了原先的无机玻璃配光镜。反射镜使用热固性塑料bmc取代原先的钢板材料。灯具的全塑设计使整车的外观更加亮丽，并可使前照灯整灯质量减轻1/3。除了pc和pmma材料外，改性pp、abs、pa和pom等塑料品种根据各自零件功能的不同在全塑灯具中都有不同程度的应用。3.2.1.3其它车用塑料件除了内饰件和外饰件外，其它不少车用零部件也开始使用塑料，典型件如:发动机及其周边零件、燃油系统、汽车底盘、汽车门锁和汽车轮胎等。1)发动机周边用塑料制品塑料在制造汽车发动机上起着重要的作用，从空气吸入系统到冷却系统，再到发动部

44、件，塑料使发动机系统更易设计，更易组装及质量更轻。发动机周边零件塑料化比内外饰件晚20年左右，究其原因是发动机罩内环境条件苛刻的影响所致。发动机周边部件通常要耐-40140环境温度、耐砂石冲击、耐盐雾腐蚀及各种油和洗涤剂，因此对其所用的塑料性能提出了更高的要求，目前用得最多的材料是玻纤增强pa。现将已应用的与发动机有关的典型塑料制品作介绍如下。(1)发动机进气系统进气系统与燃料混合的空气质量至关重要，会影响发动机的寿命及发动机的运行平稳性等。由于杂质可能通过空气进入发动机，在精密的发动机组件上沉积并降低发动机的性能，因此保证空气的洁净非常重要。将尼龙和聚丙烯用于空气过滤系统能够把灰尘从空气中分

45、离出去。目前，除了空气净化装置包含很多源自尼龙类的塑料，大量气体、流体的节流阀也由特种聚丁烯对苯二酸酯和聚氨酯等塑料制造。发动机进气系统中主要的进气歧管以往由铸铁或铝合金制造，其内壁粗糙，使用时对空气阻力大、噪声大，致使燃烧不完全，排放废气多。进气歧管塑料化的目的除减轻零件质量外，由于其内表面光滑，流动阻力小，还可提高发动机性能和提高燃烧效率。进气歧管材料一般采用pa+gf。罗孚公司与宝马、basf等公司联合开发的2l-4缸涡轮柴油发动机进气歧管就是采用basf公司的35%玻纤增强尼龙树脂注塑成型，这种材料能承受很高的发动机温度及高温汽油或柴油的侵蚀并保证强度和刚性高。宝马集团的roverv6

46、车进气歧管采用dupont公司的zytel (33%玻纤增强尼龙66)制成，这是该车首次使用塑料进气歧管，比铝质轻30%，制造简便并能输出更大的扭矩。daimler-chrysler公司也开始使用尼龙进气歧管，材料为basfplastics公司的ultramid(35%玻纤增强尼龙66)。最近，荷兰dsm工程塑料公司又研发出了一种热塑性弹性体醚-酯嵌段共聚物新材料arnitel，专门用于成型发动机进气歧管和其它车用真空导管。通常发动机周边的零件在工作时要求在承受高温下仍有高模量、高强度，在行车时还需承受冬天的严寒，在低温下仍有良好的机械性能和无碎裂的韧性。对于玻纤增强的pa66来说已不是最优秀

47、的材料，近年荷兰的dsm公司又推出了新的尼龙品牌stanyl和akulon来制造歧管，其各项性能优于以往的pa+30%gf。(2)发动机冷却系统散热器过去是汽车中最重的部件，现在由于冷却技术的创新和塑料在散热器箱中的应用，散热器已经比以前轻了很多。用在这个方面的塑料主要是注塑尼龙。目前国内的捷达、桑塔纳和小红旗等轿车的散热器水室大部分采用进口pa66+30%gf来制造。冷却系统中的散热器扇是汽车不可或缺的组件，它必须能够耐发动机带来的高温，同时需要能够耐受散热器中冷却剂带来的化学腐蚀。尼龙族塑料耐高温的性质让散热器扇没有任何变形，且不减少散热器的空气流，尼龙质量轻、高弹性设计使散热器扇占用最小

48、的空间。聚丙烯族散热器扇具有和尼龙同样的性质，也很受厂商欢迎。这两种塑料同时具有可回收和注塑时间短的特点。散热器格栅是为了冷却发动机而设置的开口部件，位于车体最前面，往往把汽车的铭牌镶嵌其间，是表现一辆轿车风格的重要零件。目前轿车上一般用abs或pc/abs合金，经注塑成型制成。桑塔纳轿车的格栅用abs制成，由于abs耐候性差，使用时需加入耐候性助剂，色泽为黑色。小红旗轿车的格栅用abs/pc合金经注塑成型后，再用喷漆涂敷。也有采用耐候性较好的asa材料，注塑成型后，表面可不经涂装。表面不涂装的成本将降低50%。最近已出现以聚酯弹性体做格栅，经表面溅射金属铬后使用，此种格栅备受用户的青睐。(3

49、)传动系统汽车最复杂的部分之一就是传动系统，它由轴承、轴和齿轮组成，齿轮包括传动齿轮和差速齿轮。传动齿轮:玻璃纤维增强的聚酯已经被成功地用来制造带有旋转马达的传动部件，单片设计代替了曾经的几个分散的金属组件；驱动轴:驱动轴连接着传动齿轮和差速齿轮。塑料材质的驱动轴能够减少噪音、震动和nvh等级，这些不仅仅带来了更多的驾驶乐趣，也降低了连接组件的压力，延长了这些组件的寿命。另外，塑料组件也有助于在碰撞中控制能量，增强了对汽车乘客的保护；轴承:轴承级尼龙被广泛地用在轴承架上，尼龙的弹性让它可以在装配时被压缩，但一放置到位就膨胀回原型。尼龙的高耐久性和耐化学品性质延长了轴承的寿命，它在大范围温度变化

50、下的低摩擦性也使之成为理想的替代材料；调速轮:塑料材质的调速轮能够减轻车辆质量，能尽可能减少调速轮旋转飞出的危险，因为材料的性质使调速轮即使在碰撞情况下也不会破碎成锋利的碎片。2)燃油系统燃油箱的形状由于空间的限制一般变得很复杂，传统的钢制油箱难以制造出形状复杂的制品，且制造工序多，成本高。塑料油箱成型加工性好、设计自由度大、可充分优化车厢底盘空间、减轻车辆质量、耐腐蚀性好、热绝缘性好、耐久性能优异、生产效率高和制造成本低。一般材料为强度高、质量轻的高密度聚乙烯 (hdpe)材料，也有用超高分子量聚乙烯制作。十几年前欧洲就开始用吹塑成型hdpe燃油箱，利用率达50%。但是pe对油的阻隔性差，为

51、了降低塑料油箱的漏油量，目前主要采用以下几种生产方法来提高和改善其阻隔性:内壁进行磺化或氟化处理的单层油箱；用pe与阻隔材料层状共混改性来成型油箱；也有用多层共挤吹塑(hdpe层/粘结层/阻隔层/粘结层/hdpe层)成型油箱。目前用在油路上的塑料主要仍是尼龙。尼龙的弹性、轻质和价格都是吸引制造商的地方，它可制成不同颜色的管线，使得线路的连接和跟踪更容易。塑料油路的安全性、抗腐蚀和耐磨损性好，而且能减少震动。3)汽车底盘底盘是一部汽车的支撑部件，它保证了汽车的坚固性，通过减震来提高汽车的撞击阻力。采取措施使汽车内噪音、振动水平(nvh)降低，不仅可提供舒适的驾驶感受，而且还降低连接件的压力，延长

52、这些组件的使用寿命。降低nvh的决定性因素是能量的吸收，底盘塑料化是有效措施之一。底盘上的塑料件，虽然零件不大，但要求材料强度高、摩擦磨损性能好，因此改性pom和pbt用得较多。全世界第二辆全塑汽车baja就拥有了一个全塑料底盘。传动轴将力从车的引擎传递到主轴，凭借塑料出色的能量传递特性，一根单独的塑料传动轴可以大大降低nvh的水平。通用汽车公司在2003年秋生产了一种装备塑料复合材料底盘的雪佛兰皮卡；福特汽车公司也在2003年下半年推出了自己的塑料复合材料皮卡底盘。4)汽车门锁在汽车门锁中，塑料件已成为汽车门锁的重要构成部分，采用的塑料主要有pc、pom、pa、abs、pp、pe以及它们的改

53、性材料。汽车门锁用塑料的年需求量在逐年增加。汽车门锁主要包括内、外手柄部分，连接部分和锁体部分。外手柄要求有较好的耐候性，最初采用的是铝合金，国外20世纪70年代采用pc，其中abs改性pc较多；20世纪80年代，为降低成本，日本汽车商开始采用pom及其改性塑料。内手柄在车内，要求条件相对宽松，一般采用pa、pom、abs和pp等。汽车门锁连接部分改用塑料制作，使汽车门锁在使用中几乎没有噪音。由于pom和pa相比具有加工性能好和成本低等优点，预计将会有越来越多的汽车生产厂家在门锁连接部分采用pom材料。门锁的锁体部分是门锁的关键部件，几乎所有厂家都使用pom材料来制作。塑料在锁体上另一用途是消

54、音和减震，如用聚氨酯弹性体包覆金属旋转卡板和止动爪来达到消音和减震，或用尼龙和pom的润滑性来消音、减震等。5)汽车轮胎汽车轮胎现仍主要用橡胶制作，但最近美国固特异轮胎橡胶公司和艾美莱轮胎公司合作，共同研发出了聚氨酯汽车轮胎。与普通橡胶相比，聚氨酯材料耐磨性好，用聚氨酯材料制造轮胎大多采用浇注工艺，它比橡胶轮胎均匀性更好，而且不会出现胎面剥离现象，但由于聚氨酯材料耐热性不佳，所以很少用于制造高速轮胎。艾美莱公司已研制出一种特殊的聚氨酯材料，克服了聚氨酯不耐热的缺点。据称这种材料由多元醇、二苯甲烷二异氰酸酯等成分组成，艾美莱公司已经为这种材料申请了专利。3.2.2汽车制造中塑料的应用前景随着汽车工业的快速发展，塑料在汽车中的用量迅速上升。据统计，世界汽车平均每辆塑料用量在2000年就已达105kg，约占汽车总质量的8%12%，到2001年增加到20%左右。目前，我国车用塑料的用量与国外相比差距还十分明显，车用塑料用量仅为塑料总用量的014%，每辆汽车塑料用量平均只有14kg28kg，仅占整车自重的0.35%0.7%。与发达国家的差距说明，我国汽车专用料的发展空间还十分广阔。4新材料加工技术在汽车轻量化中的应用锻造、铸造、冲压、焊接、热处理等