浅谈工程塑料在汽车轻量化中的应用进展

　　随着汽车工业的发展，我国的汽车产量稳步增长，汽车消费规模日趋庞大。据中国汽车工业协会发布数据显示，2008年我国产量达到934。51万辆，汽车销量达到938。05万辆。虽然目前全球经济危机对各国的汽车产业带来了严重影响，但国内汽车厂家积极应对，加上政府政策的支持，近两月来中国的汽车销量开始回升，从整体趋势上看，我国的汽车工业仍将保持一个持续高速增长态势。
　　在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。汽车结构的轻量化和轻量化材料的使用等汽车轻量化技术，可以有目的地减轻汽车自身的重量，又能保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性，同时满足汽车本身的经济性要求。
　　汽车轻量化已经成为汽车材料发展的主要方向，节能和环保则是汽车行业的两大课题。以塑料件代替各种昂贵的有色金属及合金材料部件，不仅能减轻车重，降低燃油消耗和碳氢化合物排放，还可提高动力，适应恶劣环境，增加安全性，而且塑料可回收，从而节约了制造过程中的资源消耗，最终使汽车在安全和成本两个方面获得更多的突破。汽车造型更为美观和设计更为灵活，是降低零部件加工、装配和维修费用的有效途径。汽车用塑料的使用已经成为衡量汽车工业发展水平的标志之一。
　　工程塑料是电子信息、交通运输、航空航天、机械制造业的上游产业，在国民经济中占据着重要的地位，其发展不仅对国家支柱产业和现代高新技术产业起着支撑的作用，同时也推进传统产业改造和产品结构的调整。近年来，随着我国制造业的迅速发展，工程塑料的应用领域日趋广泛，用量从2000年的39。4万t上升到2007年的182万t，其中汽车行业2007年消费的工程塑料占国内工程塑料市场消耗比例的11。89。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，而且耐热性、耐酸、寿命长、可靠性好等特点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如调速阀、机动盘、气流盘、水泵、输油管、皮带轮罩、冷却风扇、油门踏板等已开始使用PA、PPS、PBT等注塑或吹塑成型。
　　随着汽车轻量化应用技术的进步，工程塑料在汽车各部件上的应用将更为广泛。下面通过汽车所用塑料的四个方面为例分析工程塑料在汽车轻量化发展上的重要作用。
　　1工程塑料在汽车动力系统中的应用
　　早已作为汽车内饰件优先选用材料并不断扩大应用作汽车外饰件材料，现在又开始令人瞩目的应用于制造汽车发动机室内的功能部件，将来可能取代金属制造汽车动力系统的几乎每一种零件。现在，轿车、箱式汽车（面包车）、小卡车上使用的塑料，大约25用于发动机室内，除了很久已经改用塑料制造的翼子板内衬和蓄电池壳体外，发动机和燃油系统有越来越多的金属件改用塑料制造。
　　汽车发动机罩下（即发动机室内）进气歧管是最有可能用工程塑料和热固性塑料包括聚苯硫醚、尼龙、聚醚整体塑料（BMC）和酚醛塑料制造的部件。首先实行商业化生产的塑料进气歧管，是德国富吕登伯格公司用聚酯BMC制造的歧管，其内表面十分光滑，有助于空气进入，使得发动机效率比用金属歧管高15，歧管重量减轻1kg。ICI公司先进材料部采用专用级尼龙66，用其制造的进气歧管早在1990年使用与大批量生产的汽车上。通用电气公司塑料部与CMI国际公司联合研制供通用汽车公司和克莱斯勒公司使用塑料进气歧管，采用玻璃增强的PPS与尼龙和其他工程树脂的合金。其他公司如拜耳公司赫斯特塞拉尼斯公司、菲利浦公司的PPS，巴斯夫公司和杜邦公司的高性能尼龙，也被机械制造厂家考虑用作制造进气歧管的材料。
　　发动机气缸盖罩是汽车发动机室内最适合用工程塑料注塑制造的部件之一。许多公司都主要选用增强乙烯基酯和酚醛树脂模塑的热固性塑料结构，因其耐热性高，防火安全性能好。不过有部分汽车设计师倾向于采用尼龙。
　　2工程塑料在汽车照明技术中的应用
　　在车前大灯塑料应用方面，考虑到大灯玻璃的透明性、耐热性、耐冲击性以及易于成型性，多数采用表面涂覆硬膜的PC，从而进一步提高了耐擦伤性和耐候性。德国拜耳公司和美国GE塑料公司合资的Exatec公司推出了具有杰出的耐候性和耐磨性的聚碳酸酯（PC）汽车窗系统Exatec500，并已实现工业化。前大灯反射镜壳一般用BMC（团状模塑料）、PPS、PC、PBT等制成。
　　后排指示组合灯，其灯罩材料为PMMA，灯壳为填充PP，他们之间用热熔胶粘剂粘接。随着振动焊接技术的发展，灯壳材料开始采用耐热ABS。
　　世界领先的汽车车灯制造商法雷奥（Valeo）为该公司的自适应前灯系统选择了杜邦公司的ZytelHTNPPA塑料产品。这种车灯系统在大众帕萨特和雪铁龙C4等众多车型上均有所应用。该系统可以给司机提供更为清晰的夜间视野，从而加强安全性。这种自适应前灯系统可以根据车辆的行驶速度和转弯角度自动改变灯光的强度和方向，从而使司机在夜间可以更清楚地看到道路弯曲的地方，夜间照明灯光强度的增高大大减小了司机在道路弯曲处及十字路口的驾驶压力和疲劳状况，这样就提高了司机在各种天气和路况下驾驶的舒适性。法雷奥设计的氙气前灯适合中、高档的驾驶速度，在道路弯曲处它可以把司机的视野距离扩大1倍。杜邦公司在开发热塑性塑料方面走在世界的前列，它开发的塑料可以用来代替金属。随着汽车制造商在追求更轻便的、燃油效率更高的汽车，杜邦的高强度、耐高温的树脂产品可以用来代替汽车上的金属部件。用来代替法雷奥车灯系统中金属部件的高强度、耐高温的ZytelHTNPPA产品就是一个很好的例子。
　　工程塑料供应商Solvay公司推出两种用于高反射的汽车前灯的最佳材料。一种是聚砜UdelLTG2000品级，使用温度可达175，它比大多数高温PC和PCPEI合金更耐温；一种是聚醚砜RadelLTG3000，特别适合用于205的高温，它比许多PEI品级具有更高耐温性，耐冲击性提高了50，熔体流动速率也增加了33。Lanxess公司推出两种聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）品级：PocanKU27003和TP006004。它们可用于制造汽车前灯罩，替代耐高温热塑性塑料如共聚碳酸酯和聚醚砜，且在价格上更有优势。两种产品均具有优异的表面性能，而且可以直接金属化，不需底漆预处理，可以在160下使用。KU27003已经用于雪铁龙C2和C3汽车前灯。两种品级加工时都不会释放挥发性气体，积垢非常少，这使金属化的灯罩表面性能更好。两种材料的流动性都好，适合于制造大型和几何形状复杂的灯罩。此外，另一种用于灯罩的脱模性更好的Pocan也即将商品化。
　　3工程塑料在汽车装饰件的应用
　　汽车塑料件根据主要用途，大体分为功能件和结构件两种。而汽车的装饰件大多为结构件，工程塑料在汽车装饰领域的应用范围最广。随着塑料工业的发展，各种新型树脂的出现以及通过合金、共混、复合等改性手段得到各种高性能材料已经能够满足汽车行业对功能型塑料件和结构型塑料件及其应用材料提出的各种综合性能指标要求，塑料在汽车上的应用范围和用量将不断增加。主要的汽车塑料装饰件一般分为内饰件和外饰件，其中内饰件占整车塑料用量的56，以往的汽车内饰件较多的工程塑料有ABS、PUR和塑料合金等。主要的汽车塑料内饰件有仪表板、内板、顶栅、门内手柄、装饰条等。
　　目前使用的仪表板可分为硬质仪表板和软质仪表板两种。硬质的一般在轻、小型货车上使用，经一次注射而成。这种仪表板尺寸很大，无蒙皮，表面质量要求很高，对材料要求耐湿、刚性。由于多点注塑成型，易形成流痕和熔接痕，一般表面需经涂装才能使用。材料可用MPPO、ABS等。软质仪表板由表皮、骨架材料、缓冲材料等组成。骨架材料的选用不同厂家有所不同，有的采用硬纸板、木材，有的采用PCABS合金，还有采用钢板作骨架材料，也有用ABS、GFAS等。表皮材料，如桑塔纳、捷达、富康轿车等采用PVCABS合金片材，并带皮纹，以骨架为内模，用真空吸塑法将表皮材料敷在骨架上，形成一层既美观又有良好手感的表面。
　　门内板的构造基本上类似于仪表板，由骨架、发泡材料和表皮构成。以小红旗轿车和奥迪轿车为例，门内板的骨架部分由ABS注塑而成，再把衬有PU发泡材料的涤纶表皮以真空成型的方法，复合在骨架上形成一体。
　　顶棚由基材和表皮构成。基材要求轻量、高刚性、尺寸稳定、易成型等，一般使用热塑性聚氨酯发泡内材，PP发泡片材，玻璃纤维瓦楞纸，蜂窝状塑料带等。P表皮材料可用织物、无纺布、TPO、PVC等。
　　门内手柄，不仅是启闭门的功能件，而且也是装饰件。一般以ABS、改性PP等材料制成。每扇门有上下2根门槛饰件，一般用ABS经注射而成，带皮纹。
　　为提高乘坐的舒适感，要求降低噪音。为此把消声材料埋入到部件的衬里去，如仪表板、地毯、发动机盖板、行李箱等，消声材料有废毛毡、发泡PU、玻璃纤维纸板等。由于车厢内外温差而造成侧窗玻璃模糊，影响司机的视线，侧窗防霜器孔中可喷出冷热气体，以消除侧窗的模糊。桑塔纳轿车的防霜器就是用PCABS制成。
　　汽车轻量化的关键在于汽车车身，用塑料制作车身覆盖件可以一次成型，不需要进行后处理和机械加工，可降低成本。塑料车身覆盖件表面光滑、尺寸精确、质量稳定、NVH（噪声、振动、冲击）指标也比金属覆盖件小，所以汽车中顶盖、发动机罩、汽车保险杠、散热器格栅、挡泥板、侧防撞条、后导流板等大半都使用工程塑料配件。
　　汽车外饰件散热器格栅是为了发动机冷却而设置的开口部件，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PCABS合金，经注塑成型制成。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。最近已出现用聚酯弹性体做的格栅，在表面溅射金属铬后使用。车外门把手一般用POM制作，电镀件采用PCABS合金，门锁一般使用刚性好的POM，玻璃升降器的支承机构及手摇把材料为POM，雨刷件的杆可用PBT或POM：球碗用POM车轮箍使用改性PA或PAPPO再经表面镀铬。汽车底盘件大多承受较大的负荷，不易塑料化。
　　目前塑料件仅限于汽车转向制动、传动悬挂系统中，大部分用在需要耐磨的运动件上，零件不大。但对材料要求具有高强度、耐磨擦性好，多用改性POM、PBT等材料制造。此外，汽车发动机、水箱、油箱、电路系统等都大量的用到塑料制件。
　　4工程塑料在汽车安全化的应用
　　汽车的安全性能是汽车的一项重要生产指标，在汽车安全化发展进程中，工程塑料起着举足轻重的作用。
　　目前，国外中高档轿车的保险杠已采用PCPBT合金制造，因为此材料不仅机械性能高，特别是冲击强度比PP制保险杠高出许多。如GE公司的XenoyXT适合于制作汽车保险杠。它不仅能承受碰撞，保险杠与车体组装后一起涂装（以使保险杠与车体保持同一色泽）时，能耐15530min的烘烤干燥。拜耳公司、巴斯夫公司也都有用于保险杠的品种。巴斯夫的Ultrablend，不仅具有PBT的耐化学药品性、耐油性及流动性，又具有PC的低温韧性，耐热性及高的机械性能（尤其突出的高抗冲击性），已经大量用于制造保险杠。此外还有热塑性弹性体TPE，它在常温下具有橡胶特性，在高温下能塑化成型，用通用的塑料机械可以加工成各种零件。
　　燃油箱是汽车中重要的安全部件之一，有单层或多层复合结构，要求其材质具有耐寒、耐热、耐蠕变、耐应力开裂、耐老化、耐溶剂和耐化学药品腐蚀等性能，以适应抗冲击、抗渗漏、阻燃、防爆等方面的要求。
　　塑料功能件主要指发动机部件及其罩下燃油进气系统和电器系统。虽然用塑料制作的发动机部件比金属部件成本低、质量轻、噪声小，但是要求塑料件必须能够耐175的高温、刚性高、尺寸稳定性好、耐腐蚀。因此，发动机部件使用的塑料主要是尼龙66、PPS、聚酯等。目前，Rogers公司用玻纤增强酚醛塑料制成了发动机气缸和油盘；BMW公司的六缸和四缸新型发动机使用了全塑料进气装置；MannHummel公司使用35的玻纤增强尼龙制造进气装置。
　　汽车塑料燃油箱的发展起步于欧洲，所以目前欧洲的制造商INERGY和KAUTEXTEXTRON公司一直是处于世界塑料燃油箱的领导者地位，并且市场占有率超过50。随着汽车塑料燃油箱在北美和日本汽车市场的蓬勃发展，当地市场起步并发展了一批知名塑料燃油箱的OEM如TIAUTOMOTIVE，VISTEON，ABC，日本YACHIYO和FTS公司等。2005年，全球乘用车产量大约在6200万辆，塑料燃油箱的市场占有率约为68，销量为4200万只，塑料燃油箱在世界范围的市场占有率：欧洲和北美市场处于领先地位，2005年欧洲市场占有率达到95，在北美市场占有率达到了80，而亚洲市场占有率仅有26。
　　汽车安全气囊系统除了传感器、微处理器、气体发生器和气囊等重要部件外，气囊盖板也是十分重要的一个部件。热塑性弹性体是汽车安全气囊盖的主要使用材料。作为安全气囊盖板的热塑性弹性体主要有聚烯烃共混型热塑性弹性体（TPO、TPV）、聚氨酯型热塑性弹性体（TPU）、聚酯型热塑性弹性体（TPEE）。不同的级别车型，用不同的安全气囊系统配置。从低档车的只配主驾气囊到高档车的多个气囊甚至十几个气囊，每台车气囊盖板材料的使用差别很大。由于TPEE兼具橡胶的柔软性、弹性和热塑性塑料的刚性、易加工性，而且同其他热塑性弹性体相比，耐热性最高，所以在汽车领域得到普遍应用，作为安全气囊盖板材料显示出独特的优越性。但近几年来TPO技术的突破性发展，以其较高性价比的优点使其在汽车安全气囊盖板中的使用越来越广泛。
　　5工程塑料在汽车中应用前景展望
　　现代塑料技术的发展已使得塑料成为汽车的主要材料，工程塑料固有的特性赋予汽车轻量化、减低燃油消耗等益处，促进汽车工业的发展。
　　根据爱尔兰市场研究公司最新发布的报告称，过去10年中国汽车塑料需求呈较快速增长，预计未来5年，中国汽车塑料生产和需求还将保持较高增幅继续增长。中国汽车工业飞速壮大也激活了汽车塑料的需求不断增长，预计2009年国内产量将达到504430t，平均年增幅为18。1。由于国内产量仍然不能满足需求的快速增加，今后几年中国还将进口大量的汽车塑料，2004年中国汽车塑料进口量为482400t，预计2009年进口量将达到951260t。工程塑料及其合金等材料在我国汽车工业中的应用前景将更为广阔。