塑料復(fù)合材料在汽車(chē)車(chē)門(mén)中柱飾板的應(yīng)用

鄭娟 張亮

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司）

汽車(chē)產(chǎn)量的持續(xù)攀升，汽車(chē)保有量的增加，對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生深刻的影響，同時(shí)對(duì)能源也產(chǎn)生了三大問(wèn)題——燃油消耗、排放和安全。減少燃油消耗和降低排放的有效途徑是減少汽車(chē)的自重，亦即汽車(chē)輕量化。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:乘用車(chē)自重每減輕10%，油耗將下降6%～8%；汽車(chē)每減少100 kg，100 km 油耗可降低0.3～0.6 L；若滾動(dòng)阻力減少10%，燃油效率可提高3%；若車(chē)橋、變速器等機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率提高10%，燃油效率可提高7%[1]。相關(guān)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明:在符合歐IV 標(biāo)準(zhǔn)排放下，汽車(chē)自重和油耗亦呈線(xiàn)性關(guān)系[2]。由此可見(jiàn)，伴隨輕量化而來(lái)的突出優(yōu)點(diǎn)就是油耗顯著降低。空載情況下，約70%的油耗用在車(chē)身質(zhì)量上，因此輕量化對(duì)減輕汽車(chē)自重，提高整車(chē)燃料經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要[1]。

1 傳統(tǒng)車(chē)門(mén)中柱飾板材料的優(yōu)缺點(diǎn)

鋼材作為汽車(chē)的主要原材料，在汽車(chē)設(shè)計(jì)制造中廣泛應(yīng)用。作為車(chē)門(mén)中柱重要的結(jié)構(gòu)件及裝飾件，長(zhǎng)期以來(lái)，以歐美車(chē)企為代表生產(chǎn)的汽車(chē)，車(chē)門(mén)中柱飾板均采用鋼材，用鋼材做出的飾板有許多優(yōu)點(diǎn)，即強(qiáng)度高、抗拉和抗沖擊性能強(qiáng)、不易變形及耐燃性強(qiáng)等。但鋼材的屬性又決定著它的許多缺點(diǎn)，中柱飾板的斷面復(fù)雜，鋼性飾板的模具設(shè)計(jì)及制造相對(duì)復(fù)雜，模具費(fèi)用高；因成型性能的限制，飾板的造型不能過(guò)于復(fù)雜；鋼材的重量相對(duì)其它材料較重；鋼材耐腐蝕性差，需要做額外的防腐處理，增加了整車(chē)的物料成本。

為減輕鋼材中柱飾板的質(zhì)量，鋁合金材料也曾被用來(lái)替代鋼材，相對(duì)鋼材，鋁材的體積質(zhì)量較輕，成型性能更優(yōu)，可制作出相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從理論上來(lái)說(shuō)是能起到輕量化的作用，但是鋁材相對(duì)較軟，同樣厚度的鋁材不能達(dá)到與鋼材一樣的機(jī)械性能，因此需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，增加飾板的厚度，如此一來(lái)，零件的質(zhì)量并不能減輕。

2 復(fù)合材料中柱飾板的優(yōu)缺點(diǎn)

目前用于汽車(chē)輕量化的材料有許多，而塑料因其具有質(zhì)輕、性能優(yōu)良、耐腐蝕和易成型加工等優(yōu)點(diǎn)，使其在汽車(chē)材料中的應(yīng)用比例不斷增加。

1）質(zhì)量輕、密度低。以ABS 或PC 塑料為例，其質(zhì)量密度僅為鋼的14%，以塑料代替鋼材料時(shí)，不論以彎曲剛度，還是以彎曲強(qiáng)度作為汽車(chē)構(gòu)件的性能判據(jù)，采用塑料都有明顯的減重效果。

2）加工性能好。塑料和塑料復(fù)合材料的加工性能好，精加工成本低，可用多種加工方法成型，如注塑、復(fù)塑、噴射、樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）及反應(yīng)噴射模塑（RIM）等。選定成型方法后，加工產(chǎn)品及纏繞精度高，生產(chǎn)效率高，降低了制造成本。

3）塑料尤其是塑料復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，手感好，很適合作為車(chē)輛各種內(nèi)外飾件。

4）容易實(shí)現(xiàn)零部件的一體化。大大減少一些部件或總成的零件量，減少部件的加工工序，降低部件成本，并可提升部件的性能，這種性能使得復(fù)合材料制作復(fù)雜件時(shí)，其成本可以和鋼鐵材料競(jìng)爭(zhēng)。

5）耐沖擊具有較高的撞吸能，同時(shí)塑料或復(fù)合材料的制品具有一定的粘彈性，不僅撞擊吸能高，而且撞擊時(shí)不會(huì)發(fā)生碎裂，也增加了一些安全因素。塑料還可有效的減少振動(dòng)，提高舒適性。

6）優(yōu)良的抗蝕性。作為外覆蓋件可以延長(zhǎng)使用壽命和增加車(chē)輛的美觀(guān)。

7）汽車(chē)塑料零件生產(chǎn)的投資少，見(jiàn)效快；塑料的不足在于耐熱性不足，強(qiáng)度偏低，耐疲勞性差，熱固性塑料的再生性差，在低溫寒帶使用時(shí)脆性增加，目前正通過(guò)纖維增強(qiáng)和改性克服這些不足。

3 塑料復(fù)合材料在汽車(chē)車(chē)門(mén)中柱飾板上的應(yīng)用方案解析

中柱飾板在車(chē)身結(jié)構(gòu)中的作用并非起安全作用，一般起兩種作用，一為裝飾件，如圖1所示，將車(chē)門(mén)或者車(chē)身的焊接處遮擋住，對(duì)于這一類(lèi)的飾板，由于其僅作裝飾，對(duì)于車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)所起的功能作用微乎其微，因此對(duì)材料的耐久性要求相對(duì)不是特別高，選擇范圍較廣。而有一些車(chē)門(mén)需要中柱飾板同時(shí)起到玻璃升降導(dǎo)軌的作用，如圖2所示。對(duì)于此類(lèi)飾板，因其承擔(dān)重要的功能結(jié)構(gòu)作用，對(duì)于材料的選用需要綜合考慮，其中較重要的指標(biāo)是要有高強(qiáng)度及耐久性，以起到功能飾板在車(chē)門(mén)中的結(jié)構(gòu)作用。針對(duì)不同檔次的汽車(chē)，車(chē)門(mén)中柱飾板有兩種表面光澤效果可供選擇，其中光澤度小于30 的為低光配置，光澤度大于80 的為高光配置。

3.1 低光表面配置中柱飾板方案

工程塑料 ASA (Acrylonitrile Styrene Acrylate Copolymer)是丙烯酸酯類(lèi)橡膠體與丙烯腈、苯乙烯的接枝共聚物。

1）ASA 具有良好的機(jī)械物理性能。ASA 和 ABS 的結(jié)構(gòu)相似，由丙烯腈和丁二烯橡膠組成，其保留了ABS作為工程塑料所具有的極佳的機(jī)械物理性能。

2）ASA 具有很強(qiáng)的耐候性。高分子聚合物中若含有雙鍵，則雙鍵容易被能量強(qiáng)度較大的太陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)所打開(kāi)，由此造成高分子聚合物的耐老化性能下降，而ASA 正是用不含不飽和雙鍵的丙烯酸橡膠替代了ABS 中含有不飽和雙鍵的丁二烯橡膠，因此，不但可抵抗紫外線(xiàn)照射引起的降解、老化、褪色，同時(shí)對(duì)大氣中氧化加工過(guò)程中的高溫引起的分解或變色有了堅(jiān)強(qiáng)保障，極大地提升了材料的抗老化性及耐侯性。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，ASA 的抗老化性能是ABS 的10 倍以上。

3）ASA 具有比較好的耐高溫性能。

4）ASA 是一種防靜電材料，能使表面少積灰塵。

ASA 在持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)蝕后，也不會(huì)像經(jīng)特殊處理的耐老化的ABS 那樣漸成灰色（由于風(fēng)蝕或水流造成表面許多顯微裂縫和氣蝕）。ASA 的典型應(yīng)用是外飾板、外視鏡、散熱器格柵、尾部擋板、燈罩等承受日曬、雨淋和強(qiáng)風(fēng)吹等惡劣條件下的外部部件。目前，逐步延伸到了摩托車(chē)面板、野營(yíng)汽車(chē)、小型船殼、沖浪板等領(lǐng)域。

但因?yàn)槠洳牧系奶厥庑?，無(wú)法取得表面高光效果，因此，采用ASA 材料作為中柱飾板，并在表面采用皮紋處理，對(duì)于不需要高光效果的中低檔車(chē)型是個(gè)高性?xún)r(jià)比的選擇，對(duì)于裝飾類(lèi)和功能類(lèi)均可采用這種材料。目前主流廠(chǎng)家，如通用、大眾、豐田等許多車(chē)型上都有應(yīng)用。

3.2 裝飾類(lèi)高光中柱飾板方案

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），俗稱(chēng)有機(jī)玻璃，是迄今為止合成透明材料中質(zhì)地最優(yōu)異、價(jià)格又比較適宜的品種。PMMA 樹(shù)脂是綠色無(wú)毒環(huán)保的材料，除汽車(chē)零件外，還可用于生產(chǎn)餐具、衛(wèi)生潔具等。它的優(yōu)點(diǎn)主要包括:優(yōu)異的透光性能（92%），良好的耐候性，表面硬度高，亮度高，無(wú)固有顏色，易于著色，并且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。此外，PMMA 可簡(jiǎn)單熱降解，100%可回收，易于環(huán)保。PMMA 可達(dá)到高光鋼琴漆效果，目前在全球一些整車(chē)廠(chǎng)把它作為立柱飾板的材料，但由于PMMA 表面硬度不高、易擦毛、抗沖擊性能低、成型流動(dòng)性能差等缺點(diǎn)，PMMA 的改性相繼出現(xiàn)，但是改性后的原材料價(jià)格也上漲了許多，相對(duì)于鋼材，還需要付出更多的成本。

從目前采用PMMA 作為外飾板的車(chē)型分析來(lái)看，單純使用PMMA 作為飾板有其弊端。

1）脆性大，極易發(fā)生脆裂。某些品牌在售車(chē)型上設(shè)計(jì)了帶集成導(dǎo)軌作用的純PMMA 中柱飾板，售后數(shù)據(jù)反饋出多起飾板破裂的售后報(bào)怨，因此，純PMMA 中柱飾板僅推薦在裝飾類(lèi)飾板中使用。

2）耐刮擦性差，極易擦毛。在對(duì)PMMA 制成的飾板零件進(jìn)行模擬洗車(chē)房洗車(chē)耐磨試驗(yàn)之后，零件表面的光澤度的損失多達(dá)90%，如圖3所示。但在經(jīng)過(guò)拋光處理后，光澤度可改善至原始零件的90%以上。由此可見(jiàn)，PMMA 的可修復(fù)性能還是有保障的。

3.3 功能類(lèi)高光中柱飾板方案

3.3.1 雙色注塑方案

PMMA 材料脆性大，極易發(fā)生脆裂，不可在功能類(lèi)中柱飾板中直接應(yīng)用，選擇在此材料的基礎(chǔ)上增加一層擁有高性能的復(fù)合材料作為基底，是一個(gè)比較合適的方案。

塑膠原料樹(shù)脂ABS 是一種強(qiáng)度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料結(jié)構(gòu)。ABS 樹(shù)脂是目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣泛的聚合物，它將丙烯腈、1，3- 丁二烯、苯乙烯的各種性能有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)，兼具韌、硬、剛相均衡的優(yōu)良力學(xué)性能。ABS 工程塑料具有優(yōu)良的綜合性能，有極好的抗沖擊強(qiáng)度，尺寸穩(wěn)定性好，電性能、耐磨性、抗化學(xué)藥品性、染色性、成型加工和機(jī)械加工較好。

ABS 樹(shù)脂可以在-25～60 ℃的環(huán)境下表現(xiàn)正常，而且有很好的成型性，加工出的產(chǎn)品表面光潔，易于染色和電鍍。針對(duì)PMMA 脆性大，硬度不高，抗沖擊性能低等缺點(diǎn)，采用ABS 作為基底，再進(jìn)行PMMA 二次注塑，為中柱飾板提供了設(shè)計(jì)優(yōu)化，很大程度地改善了純PMMA 飾板的弱點(diǎn)，尤其是帶有玻璃升降導(dǎo)軌功能的中柱飾板，如不采用ABS 作為基材，發(fā)生PMMA 破裂問(wèn)題的概率非常高。

雙色注塑這種工藝易于換顏色而可以不用噴涂，但造價(jià)昂貴，技術(shù)要求高。兩種塑膠材料在同一臺(tái)注塑機(jī)上注塑，分2 次成型，但是產(chǎn)品只出模一次，通常由一套模具完成，且需要專(zhuān)門(mén)的雙色注塑機(jī)。此外，由于不同材料的樹(shù)脂收縮率存在差異，從而影響結(jié)合面結(jié)合強(qiáng)度，很容易造成產(chǎn)品的翹曲變形，雙色成型過(guò)程比較難以控制，利用三維模流分析技術(shù)進(jìn)行分析，可以找到其中問(wèn)題點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品或模具進(jìn)行優(yōu)化，以最快、最省的方式解決問(wèn)題。

雙色中柱飾板在通常的情況下，很容易出現(xiàn)反凹的缺陷，如圖4所示的三維模流分析報(bào)告中，產(chǎn)品兩側(cè)上翹較多，中間上翹較少，導(dǎo)致產(chǎn)品表面會(huì)出現(xiàn)反凹的缺陷，為避免此類(lèi)缺陷，建議在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)增加一定量的弧度。此分析報(bào)告還顯示，在產(chǎn)品尾部區(qū)出現(xiàn)了1.9 mm的下沉，建議在模具設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)設(shè)1 mm 以上的向上預(yù)變形量。

3.3.2 單色注塑方案

除PMMA 材料可做出高光表面效果，PC 材料也是一種可供選用的方案。

PC 是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根據(jù)酯基的結(jié)構(gòu)可分為脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多種類(lèi)型。其中由于脂肪族和脂肪族-芳香族聚碳酸酯的機(jī)械性能較低，從而限制了其在工程塑料方面的應(yīng)用。目前僅有芳香族聚碳酸酯獲得了工業(yè)化生產(chǎn)。由于聚碳酸酯結(jié)構(gòu)上的特殊性，現(xiàn)已成為五大工程塑料中增長(zhǎng)速度最快的通用工程塑料。

PC 主要有以下物理性能:

1）耐熱性強(qiáng)，熱變形溫度:135 ℃，低溫-45 ℃；

2）機(jī)械性能較低；

3）耐沖擊性能好；

4）光學(xué)性好，折射率高；

5）加工性能好；

6）阻燃性好，不需要添加劑就具有UL94 V-0 級(jí)阻燃性能；

7）耐磨性差，一些用于易磨損用途的PC 器件需要對(duì)表面進(jìn)行特殊處理。

PC 主要有以下化學(xué)性能:

1）耐弱酸，耐弱堿，耐中性油；

2）不耐強(qiáng)酸，不耐強(qiáng)堿，改性可以耐酸、耐堿；

3）不耐紫外線(xiàn)光，長(zhǎng)期暴露于紫外線(xiàn)中會(huì)發(fā)黃；

4）較好的耐水解性，但不能用于重復(fù)經(jīng)受高壓蒸氣的制品；

5）容易受某些有機(jī)溶劑的浸濁。

為了維持PC 材料的性能，并同時(shí)改善PC 材料的不足，考慮到PC 在注塑時(shí)通過(guò)添加色母而達(dá)到不同的顏色要求（通常飾板為黑色），必須在PC 表面用透明涂層或者油漆，以達(dá)到中柱飾板作為外觀(guān)功能件的質(zhì)量要求及耐久要求。在眾多涂層及油漆中，hard coating（硬涂層）性能最佳，它是一種有機(jī)硅樹(shù)脂或改性樹(shù)脂的透明薄層（一般4～8 μm），通常以溶劑中的液體形式工作，在130 ℃下固化或在紫外線(xiàn)照射下固化變硬。硬涂層不僅增強(qiáng)了塑料材料耐刮傷和耐化學(xué)的性能，而且給PC 帶來(lái)耐候保護(hù)，同時(shí)更增強(qiáng)了PC 的耐沖擊性及熱穩(wěn)定性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，PC 材料在噴涂了硬涂層之后進(jìn)行洗車(chē)耐磨試驗(yàn)，表面的光澤度的損失僅在5%以?xún)?nèi)，而油漆的光澤損失度為20%左右。

4 結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)輕量化是目前汽車(chē)工業(yè)發(fā)展中所要解決的油耗、排放和安全三大問(wèn)題的有力手段。尋找安全有效的輕量化方案是各個(gè)整車(chē)廠(chǎng)關(guān)注的重點(diǎn)。塑料復(fù)合材料在車(chē)門(mén)中柱飾板中的應(yīng)用可以有效地降低中柱飾板的重量，從而達(dá)到輕量化的目的。