车用非金属材料的开发应用.docx

车用非金属材料的开发应用小组成员：顾江、江涛、孟揚二、目录：一 引言二 全球商用车市场概况及商用车竞争趋势分析三 车用非金属材料现状1. 车用非金属材料的分类（1）塑料A聚丙烯B纤维增强复合材料C聚酰胺(商用名尼龙) （2）橡胶 A合成橡胶 B热塑性弹性体( TPE) （3）摩擦材料 （4）纳米材料（5）陶瓷材料（6）大麻 2.商用车用材料现在使用现状 （1）改性PP材料（2）ABS类材料（3）SMC等玻纤增强材料四商用车主要性能指标变化 1.成本 2.环保五车用非金属材料发展展望 1. 商用车非金属材料的使用趋势 （1）新材料的应用 （2）材料统一性（3）材料环保性（4）降低材料成本 2.发展方向 （1）实现汽车轻量化（2）参与汽车智能化（3）维护汽车过程化（4）材料选用环保化六车用非金属材料的开发应用的分析报告内容：一引言能源、环境和安全是当今世界各国极为关注的问题,汽车工业的发展与其息息相关。汽车材料是汽车品质的基础, 汽车技术的发展在很大程度上依托于汽车材料的发展。在汽车轻量化方面,金属材料应用高强度钢、低密度的轻质材料,非金属材料则在复合塑料、聚丙烯塑料、大麻、工程陶瓷等方面取得了很大的进展。二全球商用车市场概况及商用车竞争趋势分析不同档次和用途产品对性能要求不同，不同技术路线、运输方式、及载重方式，对性能要求和配置不同： 按应用范围分为长途运输(双卧铺)、中长途运输(单双 卧铺)、中短途运输(无单卧铺)三类。 由于经济的全球化，汽车业的竞争也日趋伞球化。 现在，商用车厂商在战略上已不仅仅局限于某一地区， 而是站在全球的角度。当然，要达到全球化目标，厂商 们需要合理地重新组织和分配生产能力和供应链(见图 2)。这不是简单的工厂转移，而是要扩大生产网络以达 到伞球化规模，从而在新兴市场占有一席之地。一些新 兴市场，特别是亚洲的中国市场等已成为全球商用车厂 商关注的焦点。目前中国的商用车产量占全球产量的近25，其产量已超过西欧和日本。中国的重型卡车生产已 跃居世界第二位。此外，印度等市场的需求也在不断增长。三车用非金属材料现状（1）塑料 塑料是一种高分子材料, 在汽车上应用具有质量轻、易成型、耐化学腐蚀性好、优良的消声和隔热性等特点,因此近年来塑料在汽车上的应用越来越多。A聚丙烯由于聚丙烯原材料丰富、成本低、重量轻、比强度大、污染小,同时聚丙烯是热塑性树脂,比较容易实现材料的再生利用,因此汽车工业对聚丙烯的市场需求持续增长。聚丙烯材料用来生产汽车保险杠、翼子板衬里、前后阻流板及车身裙部等。一般的轿车上聚丙烯汽车零件可达70 多种。现在, 一种叫“致密聚丙烯”的塑料应用比较广泛, 其坚硬程度不亚于钢铁,而且具有质量轻、防撞击能力强、便于回收再利用等特点。由表可见,用“致密聚丙烯”塑料可使汽车的制造成本明显降低。B纤维增强复合材料 纤维增强复合材料统称为FRP , 是一种纤维和塑料复合而成的材料。常用的FRP 是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料, 它具有重量轻、燃料消耗低、设计灵活、一体成型、装配工序少、防腐蚀、耐冲击、着色方便等特点。与金属材料相比, FRP 可根据产品结构和受力情况, 调整纤维配比及排列, 发挥其强度的不等向性,达到节约材料和减轻重量的目的SMC是一种玻璃纤维增强的片状模成型塑料复合材料, 是模压复合材料制品的半成品, 主要应用在功能件、车壳外板及结构件上。例如福特金牛座轿车的前围里的下散热器托架,原钢制品有22 个零件, 而应用SMC只需2 件, 质量大减, 成本降低14 %。因此, 这些复合材料具有很高的机械强度, 可以代替钢板制作车身覆盖件或结构件,减轻汽车的质量。C聚酰胺(商用名尼龙)聚酰胺塑料是机械工业应用较广的工程塑料, 汽车上常用的是PA6、PA66、PA11(PA12) 、PA1010 等。由于尼龙材料具有良好的耐热、耐油、耐药品性和耐化学性,因此在汽车工业中得到广泛的应用。据报道,日本汽车行业用尼龙约占全国总销售量的18 % ,美国汽车用尼龙占全部尼龙用量的21 %22 %。PA6 由于具有良好的耐磨性、耐热性、耐低温性及良好的耐油性,广泛适用于制作轴承、齿轮、叶轮、螺钉、垫片等; PA66特别适用于耐磨高强度制件; PA1010 主要用于制作各种管子和密封垫圈; PA11(12) 具有密度小、柔软、耐药品性和耐氧化性,尤其是耐寒性突出,可制作管材与软管,用于燃油和制动油管路。PA11(12) 管材与金属管材相比,具有质轻、耐腐蚀、吸振等优点。现在塑料进气歧管的材料可用35 %GF 增强PA66 或PA6 ,散热器水室几乎都在使用30 %GF 增强PA66 制造。总之, 随着材料和成型加工技术的发展, 汽车塑料件的主流发展方向是更便宜、轻量化和高性能化。（2）橡胶橡胶是一种有机高分子弹性化合物,具有高弹性、耐油、耐腐蚀、耐热寒、耐老化、耐辐射等特点。汽车用橡胶制品包括轮胎、胶管、密封条、油封、传动带、减震块和防尘罩等零件。橡胶占汽车用材料总质量的5 %。A 合成橡胶合成橡胶及其制品在发动机零件制造中起着重要作用。常用的橡胶有氯丁橡胶(CR) 、丁基橡胶( IIR) 、丁腈橡胶(NBR) 、乙烯/ 醋酸乙烯橡胶( EVM) 、三元乙丙橡胶( EPDM) 、硅橡胶(Q)等,主要用于生产驱动带、水输送管、保护套、密封件、气门盖密封件等零件,可满足汽车上的苛刻条件和环保要求。B 热塑性弹性体( TPE)新型弹性体材料, 如热塑性弹性体、高饱和丁腈橡胶在汽车上取得长足的发展,其在汽车上的用量占汽车橡胶总消耗量的20 %50 %(除轮胎) 。TPE是一种由软硬链段组成、常温下显示橡胶高弹性、高温下又能塑化成型的高分子材料, 采用热塑性塑料成型方法加工, 可大大缩短成型周期, 废料可再生利用,有利于节资、节能,是一种很有发展前途的材料。近年来该类材料用量逐渐增长。例如用热塑性聚酯弹性体生产的等速万向节防尘罩,取代原来的橡胶,轻量化50 % ,能回收利用,生产周期短,具有好的低温抗疲劳特性、耐磨性和耐油性。因此, 汽车上大量使用氟胶、硅胶和丙烯酸酯橡胶等高档胶和耐热弹性体是汽车橡胶发展的主流方向。（3）摩擦材料新型弹性体材料, 如热塑性弹性体、高饱和丁腈橡胶在汽车上取得长足的发展,其在汽车上的用量占汽车橡胶总消耗量的20 %50 %(除轮胎) 。TPE是一种由软硬链段组成、常温下显示橡胶高弹性、高温下又能塑化成型的高分子材料, 采用热塑性塑料成型方法加工, 可大大缩短成型周期, 废料可再生利用,有利于节资、节能,是一种很有发展前途的材料。近年来该类材料用量逐渐增长。例如用热塑性聚酯弹性体生产的等速万向节防尘罩,取代原来的橡胶,轻量化50 % ,能回收利用,生产周期短,具有好的低温抗疲劳特性、耐磨性和耐油性。因此, 汽车上大量使用氟胶、硅胶和丙烯酸酯橡胶等高档胶和耐热弹性体是汽车橡胶发展的主流方向。（4）纳米材料汽车技术的发展有赖于材料技术的发展, 而纳米技术的应用为材料技术的发展奠定了基础。纳米塑料是指聚合物纳米复合材料, 可改变传统塑料的特性, 具有强度、硬度较高、耐热性好、不易变形等特点,是应用极为广泛的材料,将是我国最有希望实现产业化的纳米技术之一。如果将纳米界面材料技术即超双亲性二元协同界面材料技术(亲水亲油) 和超双疏型界面材料技术(疏水疏油) 应用在橡胶材料上, 将解决困扰汽车漏油、渗油等问题。经过纳米技术处理的部分材料如纳米陶瓷轴承也应用在奔驰等高级轿车上。由此可见,纳米技术和纳米材料在汽车工业新能源、环保和新材料等领域有着广阔的应用前景。（5）陶瓷材料陶瓷材料作为材料的三大支柱之一, 在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。陶瓷是以天然矿物或人工合成的各种化合物为基本原料, 经粉碎、成型和高温烧结等工序制成的一种无机非金属固体材料。陶瓷具有硬度高、抗压强度大、耐高温、隔热性和绝缘性能。以氮化硅、氧化铝和二氧化锆为主要成分的陶瓷材料, 用于制造挺杆、气门、轴承和摇臂等汽车零件,充分发挥其强度高、耐热性、耐磨性、耐腐蚀性等优良的特性。因此特种陶瓷应用于汽车上, 可有效地降低车辆的重量, 提高发动机的热效率, 降低油耗, 减少排气污染, 提高易损件寿命,完善汽车智能性功能。随着科学技术的发展,陶瓷在品种、制造技术、应用领域有着很大的突破, 成为高新技术领域中不可缺少的关键材料。（6）大麻大麻属于一种毒品, 但在一定条件下也可转化。目前许多汽车厂家为减轻汽车质量,用玻璃纤维取代金属钢材做汽车车身, 但是玻璃纤维是由熔融玻璃拉成的纤维, 在高温熔化后容易重新凝固,给废旧汽车回收处理带来困难。法国科学家正在研制一种以大麻和聚胺酯为原料的合成材料,所选大麻原料中四氢大麻醇的天然含量非常低, 大约为0. 2 % , 与以走私毒品为目的种植的大麻有很大的区别。用大麻制作车体,其优点是价格便宜、质量更轻、韧度更强, 而且可以生物分解, 不会污染环境。因此大麻在汽车材料中也将占有一席之地。2.商用车用材料现在使用现状（1）改性PP材料车身非金属材料中，目前使用最多的是改性PP系列材料。使用部件包括仪表板、车门护板、装饰而板等大 型内饰部件和保险杠、水箱面罩、挡泥板等外装部件。 以改性PP为主的聚烯烃材料已经占到车用塑料使用量的 50以上。改性PP材料目前在使用中，特别注重以下特点： 高流动性，目前改性PP材料的熔融指数往往达到 20309lOmin。这样，可以提高产品的熔接痕强度，降 低表面熔接线。为了保证材料制品表观颜色的要求，对改性PP基础材料的选择也有更严格的要求，需要使用专 门合成的PP材料满足改性要求。 性能要求合理化，对于不同部位的产品，材料性能 要求更为合理。例如，仪表板使用的改性PP已经达到了 2G的弯曲模量和25KJm2的冲击强度，而门护板则要求在 5KJm2左右的冲击强度即可。这样可以有效控制成本，并满足制品性能要求。密度成为重要指标。为了有效降低材料成本，在材料性能严格要求的同时，材料密度也成为项重要的指 标。目前，国内商用车塑料材料的价格已经占到迦料零 部件价格的12，因此材料密度对于制品成本控制具有重 要的作用。 上述几个方面的要求往往是相瓦限制，因此对于材 料的配方设计、制品加工等都提出了比以前更为严格的要 求。同时，随着材料合成技术、加工技术的进步，部分内饰产品也开始用纯PP材料，进一步降低了材料成本。（2） ABS类材料ABS的品种多，表面处理效果好，价格低。因此在 车身材料中一直广受欢迎。由于ABS耐候性差，目前商用 车中已经广泛使用高耐候的AES、ASA等材料作为ABS的补 充。当产品需要表面处理时，例如水转印膜、喷涂时， 采用ABS；不需要表面处理时，选用ASA、AES等。 （3） SMC等玻纤增强材料SMC综合性能远超过其他工程螺料、并且是可以在 线喷漆的材料，在商用车车身开发中一直占有重要的位 置。目前车用SMC的弯曲模量一般超过IOGPa，冲击强度 高达60KJm2以上，可以制备保险杠、支柱、发动机面 罩、各类挡板等大表面积的制品。其他热塑性玻纤增强 工程塑料也由于强度高，在实际使用中得到了广泛的应用，例如PCPETGFIO、PPGF30等材料。四 商用车主要性能指标变化随着汽车技术的发展，客户对汽车性能的要求越来 越高，而汽车材料与整车的主要性能指标的关系更是密 不可分(见图3)。材料性能的好坏不仅影响着汽车未来 重要发展方向(环保、经济化、轻景化)，并且对整车 成本控制、供应商质量控制、性能开发保证等有着举足 轻重的作用。1. 成本受当前经济形势的影响，以及钢材、塑料、橡胶 等原材料价格的不断上涨，使得商用车企业成本急速上 升，如何在新一轮成本大战中生存下来，这是摆在企业 面前新的“淘汰战役”。 相对于乘用车，商用车钢材等原材料使用量大，原材料价格上涨对成本带来的影响更大，即使是轻型卡 车，用钢也在两吨以上，占整车成本的30左右，中重 卡和大型客车更不用说。多数商用车厂商已经有点支撑 不住，纷纷开始涨价或变相涨价。 商用车粗放发展的时代已经过去，已经到了成本 取胜阶段，过去生产出来卡车就能卖掉的年代一去不复 返，和乘用车一样，市场逼迫商用车企业也要有细腻的 成本消化能力，未来持久领先的成本控制能力，将最终决定企业生死。2. 环保随着新技术的使用及新生产线的建立，加上相关服 务的加强，商用车业正在稳步发展。此外，由于世界各 国日益重视环境保护，因此，对商用车的排放要求越来 越高。越来越多的新技术被用于解决汽车排放问题。 3)安全： 当前商用车的另一个主要发展方向是行驶安全问 题。近年来，随着技术的革新，商用车的行驶安全性已 大提高。以德国为例，自上世纪70年代以来，商用车的 交通事故已下降T70，这是汽车安全系统不断取得进步 的结果。 4)轻量化： 近年来，国内各大主机厂通过新车身开发。努力扩 大市场份额，突破了长期以来车身发展相对整车的落后 局面。这些都对非金属材料在商用车车身中的应用提出 了新的要求。 商用车身开发中，在材料的基本性能上， 很大程度上参考了轿车车身材料，并且考虑到商用车使 用状况，使用、改进材料性能。对于商用车车身而言， 车身刚性和安全性也主要通过高强度钢来保证，非金属 材料对于降低重量具有一定作用，但是这并不是非金属 材料扩大应用的主要原因。商用车中，目前仍然是利用 非金属材料设计自由度和集成化等降低成本、提高内饰 舒适性等。五 车用非金属材料发展展望1. 商用车非金属材料的使用趋势非金属材料的使用除了性能要求和工艺要求等客观 条件，还受到材料使用趋势等影响。这种趋势往往会形 成强制的要求。目前在商用车用非金属材料中，下面几 个趋势正在成为现实。 （1） 新材料的应用新材料的应用决不是对原有材料的简单替代，而是 一个涉及技术、经济、安全、环境等方面的复杂系统工 程；涉及从材料开发到零部件优化设计和检测技术、先 进制造技术、材料回收与再生技术、零部件维修技术等 一系列关键技术的提升与应用。机械科学研究总院李亚 新院长也曾经指出，在汽车轻量化方面，新型材料的应 用很关键，汽车节油有37靠材料的轻量化，40靠发动 机改进，而材料性能的提高对发动机的改进影响很大。 （2） 材料统一性这种统一包括摹础材料和填料使用类型统一，用来 方便回收增值。目前，内饰用塑料材料已经向着聚烯烃 材料的方向统一，主要是改性PP、PE材料、聚烯烃弹性 体等。外装材料目前仍然有多种材料在不同的车型中使 用，目前主要的使崩品种为改性PP、SMC、ABS类等。车 用材料的同收已经成为一项法规性项目，塑料材料由于 回收方便，可以在这方面做出一定贡献。 （3） 材料环保性目前，由于内饰附件已经基本塑料化，非金属材 料在加工装配过程和使用过程中，会挥发出大量的有机物(V0c)。（4） 降低材料成本2. 发展方向（1） 实现汽车轻量化汽车轻量化的月的是减轻自重。汽车整备质量减轻10，燃油可减少8.5，汽车有效功率的分配会更有效，有利于汽车动力性和经济性的提高。而台理采用非金属材料应用于汽车结构材料是汽车轻量化的重要途径之一。以塑料的使用为例，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。塑料之所以得到日益广泛的应用，与其优良的性能特点有关。塑料按用途分为通用塑料和工程塑料，工程塑料又称高功能塑料，它不仅可代替通用塑料，还可代替金属材料。在汽车上常用的塑料、工程塑料共有20多种，它们都具有质量轻、比强度高、化学稳定性好、绝缘性好、吸振和消声效果好、成型自由、良好的图案设计性和自润性等性能特点，但塑料也有不足之处，如塑料的强度不如金属材料、导热性差、热膨胀系数大和易老化等弱点。基于以上特点，塑料主要应用于汽车内饰和外饰零件上，而在功能件、结构件、高强度零件、外部件上的应用受到限制。为开拓塑料的应用范例，实现汽车轻量化，采用纤维增强的复合材料成为扩大塑料应用化的必然趋势。（2） 参与汽车智能化汽车作为新技术密集程度最高的产品之一，它拥有的诸如电子燃油喷射系统、自动导航系统、ABS防抱死装置、自动变速器、电子防滑系统等具有自检测、自判断、自指令、和执行的能力，它通过电信号、磁信号、光信号等信息的工作能主动感知、响应周围环境和工作条件给予的信息，在计算机的帮助下，产生反馈完成汽车更高的功能要求。达到一定的智能，而非金属材料在汽车智能化进程中，起着不可或缺的作用。功能陶瓷就是应用于传感器的一种非金属材料，以氧化锆传感器为例，其工作原理是利用氧化锆管（ZrO2中固溶少量氧化钇Y2O3的试管形成固体电解质元件），感应汽车排出的废气。使执行机构重新调节喷油量，获得最佳空燃比，从而降低排放污染。随着科学技术的发展材料需要适应更加苛刻、复杂的工作环境，具有可响应、可感知和功能发现能力的新智能材料将不断出现而被应用到汽车上。（3） 维护汽车过程化汽车发展的起点是机械产品，由于汽车市场的巨大求，要求汽车制造商不断改进产品质量，提高汽车的使用性能，于是电子技术、化工技术、计算机技术源源不断地渗透，使汽车得以更新换代同时，汽车由汽车产品市场的竞争扩展到汽车后市场的竞争。汽车毕竟和纯粹的电子、化工产品不同，由于汽车要运动、发生位移的特点使汽车必须基于剧烈的机械运动，这就需要维护、保养，使汽车始终处于怠好的技术状态。汽车非金属材料中的润滑剂、汽车养护用品在为汽车后市场提供的服务中取到举足轻重的作用。（4） 材料选用环保化2015年全世界汽车保有量接近12亿，汽车在方便了人们的生活的同时也带来了汽车排放，回收等环保问题。汽车报废材料的回收是一个相当重要的环境问题，以日本为例，在每年需要处理的500万废汽车中，有7