塑料复合材料在汽车轻量化中的应用_马鸣图

1、第39卷第11期2011年11月化工新型材料N E W C H E M I C A L MA T E R I A L S V o l .39N o .111作者简介:马鸣图(1942-,男,副总工程师,从事汽车轻量化材料和相关成形技术研究欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍氥氥氥氥。行业述评塑料复合材料在汽车轻量化中的应用马鸣图魏莉霞朱丽娟(中国汽车工程研究院股份有限公司,重庆400039摘要由于汽车工业的迅速发展,汽车产量和保有量的增多,带来了油耗、排放和安全三大问题。论述了汽车节能减排是汽车工业发展的必然趋势,轻量化是汽车节能减排的直接而有效的手段;介绍了汽车轻量化意义和轻量化工程的实

2、施方法。塑料复合材料具有比重轻、耐腐蚀,及很强的设计性和良好的工艺性能,是重要的轻量化材料;在汽车内饰件、部分结构件应用塑料复合材料可减重60%以上。同时论述了汽车中应用量较大的釜内合金P P 塑料的研究进展和典型性能,这类材料在汽车轻量化和汽车用塑料单一化中展示了广阔的前景。关键词汽车轻量化,节能减排,釜内合金P P 塑料A p p l i c a t i o n o f p l a s t i c c o m p o s i t e i n v e h i c l e l i g h t w e i gh t M a M i n g t u W e i L i x i a Z h u L

3、i ju a n (C h i n a A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e C O.,L t d C h o n g q i n g 400039A b s t r a c t T h e b r i e f c o n d i t i o n o f d e v e l o p m e n t o f c h i n a a u t o m o t i v e i n d u s t r y w a s r e v i e w e d.T h r e e p r o b l e

4、 m s :o i l c o n -s u m p t i o n 、e m i s s i o n 、s a f e t y w e r e b r o u g h t a b o u t d u e t o t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f a u t o i n d u s t r y 、t h e p r o d u c t i o n o u t p u t a n d v e h i c l e s t o c k i n C h i n a .E n e r g y s a v i n g a n d e m i s s i o

5、 n r e d u c t i o n i s n e c e s s a r y t r e n d o f v e h i c l e i n d u s t r y d e v e l o p m e n t .A e f f e c t i v e a n d d i r e c t m e t h o d a n d w a y i s A u t o l i g h t w e i g h t.T h e c o n c e p t ,s i g n i f i c a n c e a n d i m p l e m e n t a t i o n m e t h o d s h

6、 a v e b e e n i n t r o -d u c e d .P l a s t i c C o m p o s i t e b e h a v e s s m a l l p r o p o r t i o n ,g o o d c o r r o s i o n r e s i s t i n g ,f l e x i b l e d e s i gn p e r f o r m a n c e a n d b e t t e r t e c h -n o l o g y p r o p e r t y w h i c h i s i m p o r t a n t l i g

7、 h t w e i g h t m a t e r i a l .t h e a p p l i c a t i o n o f p l a s t i c c o m p o s i t e i n i n t e r i o r t r i m p a r t ,s o m e s t r u c t u r a l m e m b e r c a n r e d u c e w e i g h t a b o v e 60%.T h e r e c e n t r e s e a r c h p r o g r e s s a n d t y p i c a l p r o p e r

8、 t i e s o f P o l y m e r i z a t i o n f i l l i n g a l l o y P P e x t e n s i v e l y u s e d i n v e h i c l e w e r e i n t r o d u c e d i n t h e a r t i c l e a t t h e s a m e t i m e .T h e b r o a d p r o s p e c t f o r t h e a p p l i -c a t i o n o f P o l y m e r i z a t i o n f i l

9、 l i n g a l l o y P P a n d p l a s t i c s i m p l i f i c a t i o n u s e d i n v e h i c l e i s s h o w e d .K e y w o r d s v e h i c l e l i g h t w e i g h t ,e n e r g y s a v i n g a n d e m i s s i o n r e d u c t i o n ,p o l y m e r i z a t i o n f i l l i n g a l l o y P P 2000年以来,中国汽车

10、工业进入了快车道,2009年中国汽车产量为1364万辆,产销量均居世界第一,2010年在世界金融危机的影响下,中国汽车产量达到1800万辆,令世人刮目相看,汽车保有量接近8000万辆。汽车产量的增多,保有量的加大,在给人们出行带来方便和带动产业发展的同时,也产生了能耗、安全和排放三大问题。2010年中国石油产量为4.23亿t ,进口2.4亿t ,石油的对外依存度达55%。在石油消耗中,汽车是消耗石油的大户,汽油消耗占国内汽油总产量的85%;汽车柴油消耗占全国柴油消耗总量的35%,农用车柴油的消耗占中国柴油总产量的11%,两者占中国柴油总产量的46%。汽车工业发展的另外一个问题就是排放,在大城市

11、中汽车排放污染已占到城市大气污染的80%,汽车的尾气排放除少量的有害气体之外,还有大量的温室气体排放,每燃烧一升汽油,将产生2.22.5k g 的C O 2;温室气体是近年来全球变暖、南北极冰层融化、气候反常的一个重要因素。2009年10月,地球大气层中C O 2含量已达到390p p m (10-6,下同,而人类赖以生存的地球无反常感觉的大气层中C O 2的最高含量为430p pm ,因此世界各国特别关注温室气体的排放。汽车工业的发展、汽车产量、保有量增多、运行车辆增多也带来了交通安全问题。从2005年以后,中国每年死于交通事故的人数都超过10万人,每年伤亡人数超过20万人,即百万辆汽车死亡

12、人数超过0.5万人。随着汽车产量的增多,这一数字还会增加。每年交通事故的损失巨大。因此如何提高汽车运行过程中的安全性和出现交通事故后减少对人身的伤害(被动安全性也是汽车工业所面临的重大安全问题。摆在汽车工业面前的一个十分紧迫的问题就是节能减排,同时也提高汽车的安全性,汽车的节能减排,除了降低风阻、提高发动机的效率、降低摩擦之外,一个最直接、最有效的方法和途径就是轻量化。1汽车轻量化意义重大1.1汽车轻量化是节能减排的重要方法和途径对一般乘用车而言,重量每减少10%,可节油7%8%,C O 2排放可减少6%7%,其他有害气体排放可减少3%化工新型材料第39卷4%;对大部分商用车而言,每减重100

13、0k g ,油耗可降低6%7%。美国福特汽车公司的全顺车在欧洲试验结果表明,满足欧标准条件下,每百公里油耗Y 与自重X 满足以下关系:Y=0.003X+3.3434(1油耗的下降,意味着C O 2、氮氧化物(N O x 等有害气体排放量的下降。对各种类型车的大量试验结果表明,车辆的油耗与汽车的质量成线性关系。图1表示汽车运行阻力分析。可以看出,在汽车运行的4种阻力中,只有空气动力学阻力与汽车的自重无关,其他3种阻力均与汽车自重呈线性关系;这进一步表明汽车轻量化可以有效减低汽车运行的阻力,从而降低油耗和排放。汽车减重10%,对不同类型车型油耗影响的计算机模拟结果见图2,可见减重可以有效提高汽车的

14、燃油经济性。 1.2汽车轻量化是提高汽车动力性、舒适性和竞争力的必然选择汽车轻量化后,在同样的发动机情况下,由于汽车运行阻力的降低,而使发动机的动力性能提升、加速性能改善。同时,由于汽车轻量化而使汽车中附加的舒适性相关的附件、汽车电器、电子的增重与轻量化相平衡而不另外增加汽车的重量,即可在较高舒适性的前提条件下,保持节能减排。另外,汽车轻量化实施过程中将会采用一系列的新技术、新工艺、新材料,从而提升汽车的档次,也提高了汽车的竞争能力。1.3汽车轻量化对相关工业具有很好的带动作用汽车轻量化是高强度钢、先进高强度钢、轻量化的材料铝合金、镁合金、塑料复合材料的优势集成,汽车轻量化将会促进这些新技术、

15、新材料的发展,从而对汽车相关工业具有强大的带动作用。1.4汽车轻量化是社会发展的需要当前,我国石油对外依存度已超过55%,石油的进口和储备已涉及到我国的能源战略安全,汽车轻量化有效的节能不仅可以减少大气污染,还有利于我国石油的战略储备和能源安全,从而保证我国国民经济的正常运行和社会发展的正常需要。因此,汽车轻量化有利于满足法规要求、可以使轴荷更好的分配、在不加重的前提条件下提高舒适性、有利控制C O 2排放,即可以降低摩擦消耗、降低有害气体排放、改进行驶的动力学性能、提高行驶的舒适性、优化动力对质量的比。因此无论普通燃油车、混合动力车和新能源汽车都需要轻量化。总之,从社会发展的角度,从能源战略

16、储备的角度以及环境和社会发展的需要,汽车轻量化都具有重要意义。2轻量化的实施途径汽车轻量化的实施必须首先进行轻量化的概念设计,通过几何形状的优化,包括采用优化的轻量化结构、去掉汽车零部件的冗余部分和采用空心结构,从而产生相关的轻量化;通过合理的选材,包括应用高强度和超高强度的轻量化材料、低密度的材料,如铝合金、镁合金、塑料复合材料等,利用这些材料优势的集成,达到既轻量化又保证满足各种法规,特别是碰撞安全法规的要求。当采用各种高强度材料时,就会涉及材料先进的成形技术,因此,通过采用先进的成形技术,包括超高强度钢的热冲压成形技术、塑料复合材料的气辅成形技术、铝合金和镁合金的半固态成形技术等,使复杂

17、零部件成形和满足零部件功能的要求,并取得轻量化。因此,汽车轻量化实际是各种高强度轻量化材料优势的集成,各种先进制造技术的优势集成,是设计、材料、制造工艺技术多个专业优势的集成。其轻量化的实施途径见图3。图3汽车轻量化的实施路径3塑料复合材料在汽车轻量化中的应用3.1塑料复合材料对汽车的减重效果塑料复合材料具有密度小、比强度高、抗腐蚀性好、易成形从而降低了复杂零件的加工难度,塑料基的复合材料可设计性强,耐冲击并可绝热、不导电,因此,是汽车轻量化的重要材料。典型塑料的比重仅为钢的1/7,和钢相比,塑料复合材料减重的潜力示于图4,图中示出了零件等弯曲弯度和等弯曲强度下塑料对钢的减重百分数。3.2塑料

18、复合材料在汽车上应用的零件示例塑料复合材料在汽车上有广泛的应用,包括内饰件、装饰件和许多结构件,特别是近年来塑料复合材料正由内饰件和装饰件向结构件发展,以减轻汽车结构件目前的重量。典型的构件有发动机的进气歧管、各种内饰的拉手、发动机油底2第11期马鸣图等:塑料复合材料在汽车轻量化中的应用 图4塑料复合材料减重的比例壳、汽车悬架的变截面板簧、发动机罩盖以及部分车门的内外板、发动机盖板等。塑料复合材料目前在汽车上应用的品种有P P 、P E 、P V C 、P A 、P OM 、P C 等,以及短纤维和长纤维增强的塑料复合材料。汽车用的工程塑料大体可以分为两大类,目前在不同乘用车车型上应用的重量比

19、大约为8%10%,商用车车型上1%2%。除了上述构件之外,在混合动力车上,还有一个重要的应用就是电池支架,在内饰件中有仪表板、发动机的进气歧管。汽车用塑料复合材料有热固性和热塑性两类,考虑到汽车回收方便和法规的要求,目前热固性塑料用量正在下降,由于热固性塑料价格较便宜,特别是树脂类的复合材料包括S M C 、 长纤维增长的复合材料在商用车上还有较多的应用,如导流板、发动机油壳等。热塑性复合材料用量正在扩大,重点包括:A B S 、尼龙和聚丙烯等。考虑到汽车回收的方便,目前汽车塑料的一个重要的发展趋势,是汽车用塑料的单一化,以便于管理,扩大应用,便于回收。3.3汽车用塑料复合材料的发展汽车用塑料

20、复合材料的发展趋势是单一化和扩大热塑性塑料的应用,重点是P P 塑料的扩大应用。长期以来,汽车用P P 塑料的改性是通过共混料加入橡胶弹性体以提高P P 塑料的强度和韧性,但是在共混料掺入橡胶弹性体时,很难保证细颗粒弹性体分布均匀,针对这种情况,近年来,国外开发了釜内合金。通过催化反应在釜内合金中加入橡胶弹性体,确保弹性体颗粒的分布均匀和颗粒细小,以及基础料和共混料的性能的一致性。该类釜内合金P P 塑料基础料性能及一汽奔腾和吉利熊猫保险杠的性能、改性料的性能分别列于表1、表2、表3和表4。表1釜内合金两种P P 塑料的性能实验项目材料一材料二23.519.8断裂标称应变36160拉伸弹性模量

21、761366弯曲强度18.819.82弯曲弹性模量1243947.6悬臂梁缺口冲击强度1242缺口冲击破坏情况P P 无缺口冲击破坏情况N N表2吉利和一汽釜内合金改性材料的力学性能实验项目一汽改性吉利改性18.117.7断裂标称应变60490拉伸弹性模量755529弯曲强度31.529.1弯曲弹性模量17101300悬臂梁缺口冲击强度3145缺口冲击破坏情况P P 无缺口冲击破坏情况N N表3一汽保险杠取样的力学性能试验项目保险杠(裸件保险杠(涂漆件拉伸强度16.416.9断裂标称应变3040弯曲强度30.735.8弯曲弹性模量11881333悬臂梁缺口冲击强度33.430.7缺口冲击破坏情

22、况P P 无缺口冲击破坏情况N 55(P 表4釜内合金制作的吉利熊猫保险杠的性能性能指标单位熊猫保险杠技术要求原用材料釜内合金基础料釜内合金改性料拉伸强度M P a 1716.619.817.7断裂伸长率曲强度M P a 1926.319.8229.1弯曲模量M P a1100917947.61300悬臂梁冲击强度(23K J /m2408.84245釜内合金低温冲击断口经刻蚀后扫描电镜组织形貌和进口料的对比,示于图5和图6,可以看出釜内合金的弹性体分布细小、均与,这和釜内合金的性能相一致。汽车塑料复合材料发展应用的另一趋势是采用长纤维增长塑料的复合材料,以进一步提高

23、复合材料的刚性和强度,代替价格较高的复合材料以制作汽车零部件。表5比较了长纤维增强釜内合金P P 塑料和短纤维增强尼龙的性能。可以看出,长纤维增强的P P 基本达到了短纤维增强尼龙的性能指标,但前者的价格较尼龙低很多,同时还可以轻量化10%。表5长纤维增强P P 和P A +30%P F 复合材料性能比较弯曲强度147弯曲弹性模量6647悬臂梁缺口冲击强度17.812.1缺口冲击破坏情况H H 无缺口冲击破坏情况N N (C (下转第111页3第11期隋学斌等:离子液体中淀粉颗粒接枝醋酸乙烯酯的研究 表1偏光十字消失法测试结果样品2%偏光十字消失/50%偏光十字消失/98%偏光十字消失/原淀粉

24、808489S t -V A c 接枝共聚物707480A M I M C l 处理淀粉7072783结论离子液体A M I M C l 对淀粉具有良好的溶解性,且有助于降低淀粉颗粒的糊化温度。当木薯淀粉与醋酸乙烯酯的质量比为3.0,引发剂浓度为22m m o l /L ,反应时间为1h ,反应温度为50时,淀粉接枝醋酸乙烯酯的反应效果最好,最大接枝率可以达到22%,接枝效率可以达到71%。离子液体中合成得到的淀粉接枝醋酸乙烯酯接枝产物晶体结构保持不变,仍然保持颗粒状结构,但淀粉颗粒表面包上了一层“小碎片”,表明淀粉接枝上了醋酸乙烯酯,而且离子液体中合成的淀粉接枝共聚物的糊化温度较原淀粉有较大

25、程度的降低。参考文献1B r o c k w a y C E .G r a f t i n g o f p o l y (m e t h y M e t h a c r y l a t e t o g r a n -u l a r t o c o r n s t a r c h J .J P o l y S c i P a r t a ,1963,l 025-1039.2M i s r a B N ,R a m e s h D o g r a ,l n d e r j e c t K a u r ,e t a l .J .J P o l ym s c i P o l ym C h e m E

26、D ,1980,18:341.3柳明珠,吴靖嘉,岳功轩.醋酸乙烯酯与马铃薯淀粉接技共聚反应J .兰州大学学报,l 993,29(4:l 32-l 36.4彭毓华.马铃薯淀粉与醋酸乙烯酯接技共聚制生物降解淀粉塑料树脂的研究J .山西农业大学学报,1996,16(2:140-144.5D i c k e R.A s t r a i g h t w a y t o r e g i o s e l e c t i v e l y f u n c t i o n a l i z e d p o l y -s a c c h a r i d e e s t e r s J .C e l l u l o s e ,2004,11:255-263.6X i e H B ,L i S H ,Z h a n g S B .I o n i c l i q u i d s a s n o v e l s o l v e n t s f o r t h e d i s s o l u t i o n a n d b l e n d i n g o f w o o l k e r a t i n f i b e r