国内汽车工业的发展现状及高分子复合材料在汽车工业中的应用

我国汽车工业的发展现状及高分子复合材料在汽车工业中的应用 主要内容 中国汽车工业的发展现状汽车复合材料应用现状及发展趋势汽车复合材料零部件主要品种及成型工艺近期国内汽车塑料及零部件新材料 新技术发展目标 一 中国汽车工业的发展现状2007年汽车行业的基本状况 汽车生产企业5 600余家 整车生产企业集团80家 生产企业约130家发动机生产企业60余家规模零部件企业4 500余家 总产值 22392亿元销售产值 21928亿元利润 1199亿元出口 412亿美元 汽车产量 888万辆 其中轿车 479 8万民用汽车保有量 3 697万私人拥有汽车2 925万 其中轿车 1 149万 直接从业人员近220万人相关产业从业人员达3 500多万 汽车生产企业 财务数据 从业人员 汽车数量 历年汽车产量保持连续快速增长九年增幅保持两位数 2000年产量突破200万辆后 2002 2003 2004 2006和2007年每年产量增量均跃升到百万级规模 2007年产量比2003年翻了一番 07年同比增长 22 23 8 万辆 2002 2007汽车产量 2007年我国汽车细分市场情况 2007中国十大汽车企业集团产量集中度为83 4 上汽 一汽 东风三大汽车集团产量纷纷突破百万辆大关 分别达156 1 146 5和115 5万辆 创各自历史新高 并引领车企向今年总产销千万辆前进 2006中外合资企业整车市场份额达52 2006年主要中外合资企业整车市场份额 通用 大众 雷诺日产 现代 本田 丰田 PSA 福特 铃木 其他 轿车格局从 6 3 向 7 10 的变化 我国轿车工业从八十年代起步 主要依靠外方的资金和技术 从三大三小开始 逐步形成了 6 3 的格局随着产量和品种的增加 我国主要汽车集团不断壮大 自主开发能力有所增强 自主品牌开始走向市场 目前用 7 10 来描述我国的轿车格局更为确切这种变化标志着在中外合资的领域里 中方要加强维护自身权益和提升话语权 提高利用外资的水平和逐步形成以中方为主的中外合作格局 轿车轿车整车企业6 3格局 与国际主要汽车集团格局类似 上海通用 一汽大众 上海大众 长安福特 江铃汽车 天津一汽丰田 广州丰田 北京奔驰 戴姆勒 克莱斯勒 东风日产 华晨宝马 广州本田 东风本田 东风标致雪铁龙 轿车企业 7 10 格局 二汽 北京 长安 华晨 上海 一汽 广州 2007年轿车产量前十位的市场份额情况 2007中外合资企业轿车销量比例达到74 自主品牌轿车占26 2007年经济型轿车仍然为市场主体 轿车排量 2007年轿车按排量市场份额1 6 2 5L区间车型增幅最大 体现轿车向中型化发展趋势 1 6升以下销量占57 6 汽车行业历年利润比较2007年实现利润1199亿元同比增长61 8 2001 2007年整车出口2007年汽车整车出口61 4万辆 万辆 2001 2007汽车零部件出口金额2007年汽车零部件出口286 9亿美元 美元十亿元 2008年仍将保持快速发展态势 国民经济GDP增速将超9 坚持扩大内需的方针 增强销费对经济增长的拉动作用 市场需求增长潜力大 我国每1000人拥有不到50辆汽车 而全球平均水平为120辆 美国为750辆 我国很多家庭还没第一辆汽车 我国汽车对海外市场的吸引力会越来越强 技术水平的提高 优越的性价比优势 2008年我国汽车需求 生产汽车 1000万辆 比去年同期增长 12 6 其中 乘用车 730万辆 其中轿车550万辆 比去年同期增长 21 49 其中 商用车 230万辆 比去年同期增长 26 04 2008年1 6月我国汽车工业运行情况累计生产汽车 519 96万辆 比去年同期增长 16 71 其中 乘用车 365 31万辆 其中轿车271 75万辆 轿车比去年同期增长 15 27 其中 商用车 154 65万辆 比去年同期增长 18 48 在国家宏观经济保持健康发展的基础上 期望汽车能够保持一个合理稳定的有利于市场成熟发展的速度 即总体保持和国家GDP同步或稍高一点的10 左右的增长速率 轿车会适度提高一点到12 15 左右 按照这个增速发展 保守预测 我国可望在2012年成为世界第一汽车生产大国 到2018年左右成为世界第一汽车消费大国 政府加快职能转变 逐步改变多头管理局面 形成适应汽车社会需求的社会支撑体系企业重组兼并加快 进一步做强做大 在今后5年内能形成以八大集团为核心的汽车产业结构 涌现3 5家整车企业和1家零部件企业进入世界500强 自主开发能力大大提高 部分自主品牌汽车开始在用户心目中形成质量优越 价格合理的首选品牌 汽车产品出口规范有序 出口效益明显提高 大型企业能够形成稳定的国内和海外的两个市场体系 汽车零部件企业加快重组整合 形成实力和规模 中国成为全球汽车零部件的重要生产基地和采购基地 对我国今后汽车工业的发展展望 总结 中国汽车工业经过55年的发展 已经跻身到世界汽车制造大国的行列 产量世界第三 国内消费世界第二目前中国汽车工业的国际化基本完成了吸引国际汽车集团来华投资建厂 引进先进产品和技术 扩大国内市场的第一步国际化扩张还停留在初始阶段 还谈不上对其他国家汽车工业构成威胁 但国际化进程的步伐一定会加快 期望中国在近期内发展成为世界零部件的采购中心 二 汽车复合材料应用现状及趋势车用热固性复合材料 玻纤增强树脂 FRP 如 玻纤增强不饱和聚脂片状模压成型SMC SheetMoldingCompound 团状模压成型BMC 冲压成型片材 StampableSheet 等与其他高分子材料相比具有强度高 刚度大 耐高温 成本低 破损安全性好 独特的成型工艺 可整体成型 减少了零部件紧固和接头数目等优异性能等优点 一直是汽车覆盖件最理想的非金属材料 FRP具有强度高 耐腐蚀 加工性好及可制造 A 级表面汽车外覆盖件等特点 被广泛应用于汽车车身部件 早在1955年欧洲就开始在汽车上使用FRP 如今FRP全塑车身引起全球关注 例如 美国克莱斯勒公司开发的VIPER轿车车身由19件FRP零件组成 采用RIM工艺进行制造 美国通用公司开发的APV子弹头多用途旅行车 其FRP件的使用量高达147kg 辆 其中SMC的用量为114kg 量 英国ELAN运动车采用真空辅助树脂注射 VARI 成型工艺制造汽车车身及结构件 FRP用量为150kg 量 此外法国雷诺公司的ESPACEMARK 型面包车及意大利非亚持公司的微型车等车型在大量将FRP用作汽车车身方面取得了成功 到1996年 北美汽车制造业SMC制造汽车零部件的用量上升到108 9kt 与1995年的90 72kt相比增加了20 其中包括27个制造厂生产的125种车型中的380种汽车零部件 其他应用部件还包括前 后盖 车门 车身扰流板 汽车轮胎盖板 车身支梁甚至整个车身 车用热塑性复合材料a 玻璃纤维毡增强热塑性复合材料 GMT 玻璃纤维毡增强热塑性复合材料 GlassMatReinforcedThermorplastic 以玻璃纤维 毡 为增强材料 热塑性树脂为基体 通过加温 加压制成复合材料 简称GMT 是目前国际上极为活跃的复合材料开发品种 被视为世纪新材料之一 轻质高强度的GMT片材 通过结构优化设计 可取代部分金属材料 获得显著的减重效果 而且节省模具费用 仅为金属冲压模具的10 20 并有利于多种零件组合 形成模块化生产方式 用GMT片材可较原金属件减重30 80 能耗仅为钢制品的60 80 铝制品的35 50 价格低于同体积的金属制品 GMT片材在汽车工业中的应用 已达40多种 主要有座椅骨架 保险杠 仪表板 发动机罩 电池托架 脚踏板 前端 地板 护板 后牵门 车顶棚 行李托架 遮阳板 备用轮胎架等部件 b 长纤维增强热塑性复合材料 LFT LFT增强材料是纤维连续纱或者短切玻璃纤维 适合于LFT D 其组成材料可以是玻璃纤维 芳基纤维 碳纤维 钢纤维和其他能够形成连续纱的纤维 LFT G的基体聚合物可以是各种热塑性塑料 常用的有PP 56 Nylon 32 其他的还有ABS PPS TPU POM等等 为了改善界面强度 通常还需要界面改性剂 如偶联剂以及相容剂 LFT材料现在广泛应用在汽车工业中 Ticona公司的LFT产品 Celstran和Compel 成功的应用在VWGolf 型上 LFT在汽车中的具体应用 c 天然纤维增强热塑性复合材料 NMT 传统的纤维增强复合材料是由玻璃纤维 芳香族聚酰胺纤维或碳纤维等人造合成纤维组成的 它们一般都存在着耗能大 造价高 易造成环境污染等问题 与玻璃纤维及碳纤维相比 各种天然纤维 如麻纤维 竹纤维 甘蔗渣纤维等 具有价廉 可回收 可降解 可再生等优点 其复合材料的研究与开发应用 近年来成为人们对材料研究开发的热点之一 天然纤维复合材料在汽车工业的应用目前还局限在汽车内饰件上 戴姆勒 克莱斯勒公司已经成功的将天然纤维复合材料应用在了其生产的奔驰E系列轿车上 先前此类车的车门 车内部件用的是木纤维复合材料 现在用亚麻 剑麻毡增强的环氧树脂进行了替换 使得重量减轻了20 左右 而且 机械性能也得到了改善 尤其是对于安全保护方面 另外 用亚麻 剑麻毡增强复合材料能够成型更为复杂的立体构件 因此 这也更适用于车门外贴板等部件 以替换先前的材料 福特汽车公司设在德国的材料工程部门在研究亚麻 PP注射成型方面取得了相当的进展 在新型的福特车中这种材料将用于制造冷却器架和引擎挡板等部件 用这种材料制造的部件重量比用玻璃纤维增强的材料轻25 左右 天然纤维复合材料在汽车中的应用 NMT 各种天然纤维 如麻纤维 竹纤维 甘蔗渣纤维等 具有价廉 可回收 可降解 可再生等优点 其复合材料的研究与开发应用 近年来成为人们对材料研究开发的热点之一 天然纤维复合材料在汽车工业的应用目前还局限在汽车内饰件上 D 碳纤维增强复合材料 几十年前即有预言 碳纤维增强复合材料将取代金属 用于制造汽车底盘 这一预言正逐步实现 2003年DaimlerChrysler公司推出的DodgeViper型跑车的挡板支架系统所采用的材料碳纤维复合材料 这项技术也是碳纤维在大型底盘和车身外部部件上的首次应用 碳纤维复合材料的挡板支架薄壁虽只有2mm 却能支撑着整个车身前端 而且有34个零件在这里联结 刚性提高了22 近年来 日本开始研究采用碳纤复合材料 基体树脂采用具有较高玻璃化转变温度的聚醚酮 这样碳纤复合材料的比抗拉强度优于铝合金的比抗拉强度 代替目前正在使用的铝合金来制造汽车涡轮增压器压气机叶轮 具有强度高 耐久性好和可靠性高的优点 并使叶轮质量减轻了48 降低了转子惯量 提高了转子加速性能 缩短了涡轮增压器的响应滞后 近年来 世界各国都致力于研究新一代磨阻材料取代石棉摩擦材料 其中碳纤维复合材料具有比强度高 比弹性高 耐热性好 耐磨损等优点 已成为增强效果很好的石棉代用品 碳纤维 陶瓷刹车盘装置 国内已有厂家生产并有出口 三 汽车复合材料零部件主要品种及成型工艺 复合材料汽车车身a 高级全塑跑车 骨架结构件采用碳纤增强塑料 如美国GM公司的 Ultralite 车身材料成本为1 3万美元 外覆盖件采用玻纤增强塑料 全塑车身均用于高档的运动车 b 复合材料概念全塑车CCV CompositeConceptVehicle 车身采用玻纤增强热塑性聚酯注射成型 如Chrysler公司的 Ticona 采用注射成型 用于大批量生产的CCV c 普通高级乘用车 骨架结构件采用金属件 外覆盖件采用塑料件 如 Saturn 复合材料汽车零部件外装饰件 保险杠 挡泥板 车轮罩 导流板 前后翼子板 举升门等 其应用特点是以塑代钢 减轻汽车自身质量 内装饰件 仪表板 车门内板 副仪表板 杂物箱盖 座椅及各类护板等 其应用特点是安全 环保和舒适 功能与结构件 油箱 散热器水室 空滤器罩 风扇叶片以及发动机进气管 气缸盖罩等 其应用以采用高强度复合材料为特点 后举门 轿车后举门 Tailgate 是车身的重要零部件之一 由于后风窗的存在 其具有两大特点 首先要求后举门上部窗框处具有良好的刚性与强度 其次是后举门结构复杂 冲压成型困难 且生产中采用金属冲压成型工艺时材料利用率较低 仅有66 因此 国外众多两箱车多采用纤维增强塑料材料后举门 采用增强塑料不仅重量轻 而且便于生产 综合成本低于金属后举门 如雪铁龙 ZX后举门采用长玻纤增强复合材料注射 ZMC 成型后举门 其重量仅为7 9kg Mercedes BenzA级车采用GMT骨架 PBT PC合金的热塑性塑料后举门 GM公司的SaturnSW1旅行车采用SMC后举门 目前国外采用增强塑料后举门的车型见下表 后举门材料工艺结构方面 目前国外主要有以下三种结构形式 全部采用热塑性材料结构形式 内外板均采用热塑性塑料 如BenzAclass后举门内板采用GMT材料热压成型工艺 外板采用PBT PC合金注射成型工艺 热塑性和热固性材料混合的结构形式全部采用热固性材料 SMC BMC ZMC 的结构形式 车灯部件 随着汽车在质量上和档次上的提高 汽车灯具不再是一种单纯的安全件 而且成为汽车上重要的外饰件 为适应这种趋势 汽车灯具正在逐步向全塑化发展 前大灯 考虑到大灯玻璃的透明性 耐候性 耐冲击性以及易于成型加工 多数表面采用涂敷硬腊的PC材料 从而进一步提高了耐擦伤和耐候性 前大灯反射镜壳 为了满足耐热性以及表面处理要求 一般采用BMC PPS PC PBT等制成 后排指示组合灯 灯罩材料为PMMA 灯壳为填充改性PP 它们之间用热熔胶粘结剂粘接 随着振动焊接技术的发展 灯壳材料开始采用耐候ABS 这样灯壳和灯罩之间可用振动焊接 也便于材料的再生利用 表14不同车型车灯的所采用的材料 进气岐管 发动机周边塑料化普及率最高的部件是进气歧管 它为塑料在工程结构件方面的应用铺平了道路 利用塑料的整体化成型工艺和对汽车轻量化的明显作用 将对加工成本 设计 安全性和燃料消耗带来明显好处 玻纤增强PA66或PA6是制造塑料进气歧管的首选材料 塑料导热率低 低温空气密度较大 因此可提高空燃比 从而提高了发动机的效率 1998年 欧洲和北美生产的80多种汽车都将使用PA进气歧管 今后10年用于进气歧管的PA用量将增加18kt 不同车型进气歧管的材料 进气歧管加工方法 塑料进气歧管的材料可用35 GF增强PA66或PA6以及PPS 但是由于进气歧管结构复杂 不能用一般的注塑成型 主要有两种先进加工方法 一种方法是利用熔芯注射成型 即采用低熔点合金做模芯进行一次注射成型 再在导热油中通过感应加热将模芯熔掉即可得到制品 另一种 两步法 是将零件一分为二分别注射成型后 再用振动焊接将其合二为一成为制品 新开发的激光焊接法比振动焊接法成型条件温和 制品焊接质量好 残余应力小 可以焊接异形曲面 制取结构和形状更复杂的进气歧管 生产效率高 因此许多厂家投入相当大精力开发用于进气歧管的激光焊接尼龙牌号 目前国内90年代后期新近引进的车型 如上海大众Passat Polo 东风标志PEUGEOT206 PEUGEOT307 丰田皇冠 锐志等等均采用塑料进气歧管 但轿车进气岐管目前几乎大部分依靠进口 可喜的是国内部分企业已在国产发动机塑料进气岐管的开发上有所突破 一汽集团与BASF公司已完成6DG3柴油发动机的大型塑料进气歧管开发工作 2004年春季开始下线 用于红旗CA7180 4GE型轿车 投产前进行了严格的试验 这是我国开发成功的第一个工业化塑料进气歧管 宗申集团与天津大学合作成功开发出465QE汽油机塑料进气岐管 另外 二汽和其他几个厂也有开发计划 我国应进一步加快原料和成型工艺开发 使中国汽车工业在产量迅速增长的同时 质量 性能和档次上也都上新台阶 真正跻身世界汽车制造工业前列 气门室盖 发动机周边塑料件的另一大项目是摇臂盖 亦称气门室盖 1990年乙烯基聚酯树脂热固性树脂复合材料制造的塑料气门室盖首次使用于美国汽车上 Cytec工业公司是美国这种复合材料的主要生产厂家 其使用的乙烯基聚酯树脂是由道化学公司供应的 现在该公司每年提供这种预制整体模塑料制造的气门室盖1200多万个 并被用于600多万辆美国制造的轿车和卡车上 发动机塑料气门室罩的特点为成型方便 成本低 质量轻 比金属制品成本降低50 轻量化30 而且大大降低噪音 塑料材料可选用玻璃纤维增强PA 玻璃纤维增强PET 如美国杜邦公司的Minlon21C PA 玻璃纤维和矿物填充剂 和Rynite935 PET 玻璃纤维 Amcomo公司拟将聚邻苯二甲酰胺和PI用于制造气门室盖 这些材料都具有翘曲小 热稳定 高冲击韧性 尺寸稳定等特点 顶棚 货车上开始应用低密度发泡状GMT