汽車輕量化與高分子材料的應用

汽車輕量化與高分子材料的應用

董鵬1，陳應知2

（1.卡萊(梅州)橡膠制品有限公司計劃部，廣東梅州，514759；2. 清華大學材料學院，北京，100084）

摘要：降低燃油消耗和減少污染排放已成為當今汽車工業(yè)發(fā)展和社會可持續(xù)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題，而汽車輕量化是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的最直接和最有效途徑。綜述了汽車輕量化的重要意義，著重概述了汽車輕量化的有效途徑━高分子材料的應用，即塑料、纖維、橡膠三大高分子材料在汽車上應用。高分子材料具有質(zhì)輕、高強、耐腐蝕和易成型等優(yōu)點，“以塑代鋼”是目前材料科學研究的重點，也是未來汽車工業(yè)發(fā)展的主導方向。

關(guān)鍵詞：輕量化；汽車；高分子材料；節(jié)能

作者簡介

Abstract：to reduce fuel consumption and reduce pollution emissions have become the key problems in the development of automobile industry and the sustainable development of the society, and the lightweight of automobile is the realization of vehicle energy saving and emission reduction of the most direct and most effective way. Review the important significance of lightweight vehicles, with an emphasis on the application of effective ways of lightweight car - polymer materials, plastics, rubber, fiber application three polymer material in automobile. Polymer material has the advantages of lightweight, high strength, corrosion resistance and easy molding, "plastic steel" is the focus of current research in materials science, but also the future development of the automotive industry is the leading direction.

Keywords：lightweight; automobile; polymer material; energy saving

1.董鵬(1980—)，男，漢族，陜西安康人，企業(yè)戰(zhàn)略研究員，主管，主要研究方向：高新材料。

2.陳應知(1983—)，女，漢族，湖北武漢人，材料學博研究生，主要研究方向：高性能結(jié)構(gòu)材料。

Application of auto lightweight and high molecular material

DONG Peng1; CHEN Ying-zhi2

（1.Planning Dept of Carlisle (Meizhou) Rubber Manufacturing Co.,Ltd,Meizhou,514759,Guangdong,China;2. School of Materials Science and Engineering,Tsinhua University, Beijing 100084,China）

1　引言

汽車工業(yè)是三大支柱產(chǎn)業(yè)之一，而今汽車工業(yè)已成為一個國家現(xiàn)代文明與科技水平的重要標志之一。但是汽車工業(yè)的飛速發(fā)展也給社會帶來了能源匱乏、環(huán)境污染、安全等諸多問題，汽車的節(jié)能、環(huán)保與安全既是汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向也是各國產(chǎn)業(yè)政策的總體要求。降低燃油消耗和減少污染排放已成為當今汽車工業(yè)發(fā)展和社會可持續(xù)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題。從國際發(fā)展趨勢上看，主要采取以下措施：一是大力發(fā)展新型能源汽車；二是發(fā)展先進發(fā)動機技術(shù)；三是汽車輕量化。在過去10年間，主要是通過

改進汽車動力系統(tǒng)來達到節(jié)油和環(huán)保的標準，發(fā)展至今，動力系統(tǒng)技術(shù)的改進已接近極限。而汽車輕量化是汽車零部件重要的發(fā)展方向之一，是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的最直接和最有效途徑，據(jù)估計，汽車質(zhì)量每減輕10%，就會節(jié)省6%～8%的燃料［1］。塑料及其復合材料不僅可減輕零部件約40%的質(zhì)量，還可使生產(chǎn)成本降低40%左右。汽車輕量化使塑料等高分子材料在汽車零部件領(lǐng)域被廣泛采用，目前高分子材料在汽車上的應用已不僅僅局限于內(nèi)飾、坐椅、車燈等零部件，而是已擴展到油箱、風扇葉片、翼子板等結(jié)構(gòu)件。隨著“以塑代鋼”成為未來汽車發(fā)展的主要方向，汽車輕量化必將為高分子材料工業(yè)帶來更加廣闊的發(fā)展空間［2］。

2　汽車輕量化具有重要意義

20世紀末，高分子材料的總產(chǎn)量已達20億噸，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、運輸、通訊乃至人類生活中，高分子材料與金屬、陶瓷一起并列為三類最重要的材料。汽車輕量化“相中”塑料在汽車工業(yè)的發(fā)展與高分子材料工業(yè)的發(fā)展密不可分。汽車輕量化是降低汽車排放、提高燃燒效率的有效措施，也是汽車材料發(fā)展的主要方向，它使塑料在汽車上的用量迅速上升，發(fā)達國家已將車用塑料的用量作為衡量汽車設計與制造水平的一個重要標志。據(jù)統(tǒng)計［3］，汽車一般零部件的質(zhì)量每減少1%，可節(jié)油1%；運動部件的質(zhì)量每減少1%，可節(jié)油2%。國外汽車自身質(zhì)量同過去相比，已減少20%～26%，預計未來10年，轎車質(zhì)量還將繼續(xù)減少20%左右?？梢?，塑料等高分子材料的開發(fā)與應用，在汽車輕量化過程中發(fā)揮著重大作用。汽車工業(yè)界一致認為，汽車輕量化是滿足各國政府制定的油耗法規(guī)、安全法規(guī)與排放法規(guī)的有效手段和方法，汽車輕量化技術(shù)已成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要研究課題，汽車輕量化是各國節(jié)能減排能源發(fā)展戰(zhàn)略的迫切需要，更是汽車工業(yè)提高自身核心競爭力的現(xiàn)實需求。

2.1節(jié)能減排是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢

20世紀70年代發(fā)生的兩次石油危機，大大促進了汽車工業(yè)燃油經(jīng)濟性的提高。80年代中期以后，世界各國對環(huán)境保護的更高要求再一次推動了汽車工業(yè)提高燃油經(jīng)濟性和排放。《BP世界能源統(tǒng)計2008》中的數(shù)據(jù)表明，以目前的開采速度計算，全球石油儲量可供生產(chǎn)40年。目前美國的石油53%依賴進口，歐洲高達76%，日本幾乎全部依賴進口，我國石油對外依存度也已接近消費量的50%。在石油消耗的各大行業(yè)中，汽車工業(yè)是名副其實的耗油大戶，就我國而言［4］，2009年汽車保有量達到7619萬輛，全國的石油消費總量為33.93億噸，其中高達2億噸供汽車消耗，單車年消耗超過2.3噸。2015年我國汽車保有量將超過1億輛，預計到2020年將會超過2億輛，按目前的燃油經(jīng)濟性計算，我國的石油消費量將分別達到4.2億噸和8.4億噸，屆時石油進口依賴程度將高達77%。

汽車質(zhì)量的減少，會減小動力與動力傳動系統(tǒng)的負荷，可在較低牽引負荷下，表現(xiàn)出同樣或更好的性能?；奢d質(zhì)量（主要包括底盤骨架及其他所有彈性部件所承載的質(zhì)量）下降也會明顯提高行駛平穩(wěn)性和舒適性，為提高轎車安全性等性能，增加一些輔助裝置，會導致汽車質(zhì)量增加，而這些增加的質(zhì)量又需要通過輕量化予以補償。如：混合動力汽車，由于增加了混合動力系統(tǒng)裝置而增加了車重，若在混合動力汽車中實現(xiàn)輕量化，不但可以減少油耗，還可以降低制造費用?？梢?，從戰(zhàn)略、商業(yè)、社會發(fā)展等角度來看，具有高燃油經(jīng)濟性和環(huán)保特點的新型汽車是社會發(fā)展的客觀要求。當然，汽車輕量化不能以簡單的減重多少來衡量，必須與所設計車身的尺寸和功能相關(guān)。對于已有功能可滿足全部要求的汽車，輕量化的設計是降低質(zhì)量而保持原有功能不變，其輕量化的效果是直接減重。對現(xiàn)有功能尚不能滿足全部要求的汽車，輕量化設計是完善功能而保持質(zhì)量不變，提高改進性能的同時也使汽車減重。由此可見，汽車輕量化是功能改進、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、車量與成本降低的完美結(jié)合。

2.2輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的有效手段

研究表明，汽車約有75%的油耗與其質(zhì)量有關(guān)，因此，降低汽車質(zhì)量就能有效降低油耗和排放。據(jù)估計［5］，汽車質(zhì)量每減輕10%，就會節(jié)省6%～8%的燃料，排放下降4%。據(jù)報道，在美國，汽車質(zhì)量如果減少25%，燃油消耗按減13%計，一年可節(jié)省石油2.7億桶，而每消耗1L燃油，將產(chǎn)生二氧化碳2.0～2.5kg，因此，油耗的降低，就意味著二氧化碳、氮氧化物等有害氣體排放量的下降。

為應對節(jié)能減排，各國政府和地區(qū)都制定了相應的法律法規(guī)［6］，歐盟、北美、日本等都制定了嚴格的燃油經(jīng)濟性指標，如：美國的CAFE(Corporation AVERAGEfuel Econmy)規(guī)定乘用車燃油消耗27.5英里每加侖（約11.KM／L），輕型貨車不低于8.8km／L。美國在2009年5月還公布了一項汽車節(jié)能減排計劃，目標是到2016年，美國國內(nèi)生產(chǎn)的客車和輕型卡車百公里耗油不超過6.62L，co2排放量也比現(xiàn)

有車輛減少1/3。這項計劃2012年開始實施，將使美國在2012～2016年減少使用原油18億桶，溫室氣體排放量將減少9億噸。日本在2010年規(guī)定汽油乘用車燃油經(jīng)濟性為15KM/L，比1995年提高22.8%，柴油乘用車比1995年燃油經(jīng)濟性提高14.9%，達到12KM/L。歐盟乘用車燃油經(jīng)濟性目標為18.8KM/L，2009年單車平均排放CO2減少到140/KM。我國于2004年開始實施《乘用車燃料消耗量限制標準》，2010年乘用車平均油耗比2003年下降15%。為應對全球變暖，全世界已有140多個國家簽訂了《京都議定書》。

3　汽車輕量化的有效途徑——高分子材料的應用

經(jīng)濟與社會的發(fā)展使人們對汽車輕量化、節(jié)能、美觀、環(huán)保、車速更快、更安全、更舒適等方面提出了更高要求。而高分子材料由于具有良好的性能、低廉的價格、簡單的加工工藝，在汽車工業(yè)扮演著愈來愈重要的角色。在汽車工業(yè)領(lǐng)域大量使用塑料等高分子材料，以代替各種昂貴的有色金屬和合金材料，不僅提高了汽車造型的美觀與設計的靈活性，降低了零部件加工、裝配與維修費用，還可減輕汽車質(zhì)量，降低汽車能耗與排放。以橡膠、塑料為首的高分子材料在汽車工業(yè)領(lǐng)域已建立起不可或缺的地位。

塑料、纖維、橡膠被稱為三大合成高分子材料，車用高分子材料主要有質(zhì)量輕、良好的加工性能、優(yōu)良的綜合理化性能、優(yōu)秀的裝飾效果、節(jié)能和環(huán)保等等特點。高分子材料正以其獨特的優(yōu)越性逐漸與汽車行業(yè)相結(jié)合，具有巨大的潛在需求和良好的發(fā)展前景，其總體表現(xiàn)為各國在汽車工程材料上的研發(fā)投入的加大以及汽車行業(yè)對于材料性能要求的不斷提高。

3.1工程塑料在汽車上的應用

近30年來，國際上汽車塑料的用量在不斷增加，平均每輛車上塑料的用量從20世紀70年代初的50～60kg已發(fā)展到目前的150kg，而且增長還在繼續(xù)。在日本、美國和歐洲等發(fā)達國家中，每輛轎車平均使用塑料已超過150kg，占到汽車總重量的10%。汽車塑料中用量最大的是聚丙烯（PP）、ABS 樹脂、聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）。很明顯，聚烯烴材料構(gòu)成了汽車主要的塑料制件，而且這種趨勢在今后將會越來越明顯。

工程塑料輕量化主要有以下優(yōu)勢：柔韌性較好、耐磨、避震、單位質(zhì)量的塑料的抗沖擊性也不遜于金屬；每100kg的塑料可替代其它材料200～300kg，可有效減少汽車自重，增加有效載荷；復雜制品可一次成型、成本較低、效率高、經(jīng)濟效益顯著，如果以單位體積計算，生產(chǎn)塑料制件的費用僅為有色金屬的1 ／10；對酸、堿、鹽等化學物質(zhì)的腐蝕均有較強的抵抗能力。各種塑料在汽車上的應用和汽車配件塑料化后的輕量化情況比較如表1和表2所示［7-8］。

表1　各種塑料在汽車上的應用

表2　汽車配件塑料化后的輕量化情況比較

目前，我國每輛轎車塑料用量平均為100kg，占總重量的8%左右，達到國外20世紀80年代中期的水平，可以預料，塑料在汽車工業(yè)上的應用將會越來越廣泛，開發(fā)并使用全塑汽車已不是夢想，一個塑化的汽車工業(yè)時代即將到來。

3.2纖維增強材料在汽車上的應用

由增強纖維材料，如：玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等與基體材料經(jīng)纏繞、模壓或拉擠等成型工藝可制得纖維增強復合材料。常見的纖維增強復合材料有玻璃纖維增強復合材料（GFRP）、碳纖維增強復合材料（CFRP）及芳綸纖維增強復合材料（AFRP）。纖維增強復合材料具有比強度高、比模量大、抗腐蝕性、耐久性能好等特點。

車用纖維增強材料主要有各種玻璃纖維增強復合材料（GFRP）：（1）SMC材料，是用低黏度樹脂復合物浸漬片狀玻璃纖維而制成的片狀模壓復合材料，與鋼質(zhì)零件相比，SMC生產(chǎn)周期短，便于汽車改型，投資效益好；質(zhì)量較輕、可節(jié)省燃油；設計自由、零件數(shù)量少、制件整體性好；隔熱性與耐用性好。SMC主要應用在車身部件、內(nèi)裝飾部件、懸架零件、發(fā)動機蓋下部件等。其中保險杠、發(fā)動機罩、車頂是最重要也是產(chǎn)量最大的SMC部件。（2）GMT材料，是以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維氈為增強骨架的一種復合材料。具有質(zhì)量輕、強調(diào)高、易成型、耐腐蝕等優(yōu)點。GMT材料韌性好、成型周期短、生產(chǎn)效率高、可回收利用、加工成本低，被譽為21世紀綠色材料。有80%的GMT材料是用于汽車產(chǎn)業(yè)，如：電池托盤架、保險杠、座椅骨架、前端組件、儀表板、門模塊、后舉門、擋泥板、地板、隔聲板、發(fā)動機罩、備胎箱、氣瓶隔板、壓縮機支架等等。（3）RTM材料，是在模具型腔中預先放置玻璃纖維增強材料，經(jīng)閉模鎖緊再注入樹脂膠液浸透玻纖增強材料，經(jīng)過固化而得到的一種復合材料。RTM材料機械性能更好，方向性和局部性增強，RTM應用在車頂、后廂蓋、側(cè)門框、備胎倉、駕駛室、擋泥板、儲物箱門等［9］。

另外，碳纖維增強復合材料（CFRP），具有足夠的剛度和強度；耐蠕變性能、耐腐蝕性和耐磨性能很好；導電、X射線穿透性和電磁屏蔽性好；振動衰減快、傳導小。CFRP是主要用于制造汽車車身和底盤等主要結(jié)構(gòu)件的最輕材料，可使汽車質(zhì)量減輕40%～60%，相當于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/3～1/6。目前碳纖維增強復合材料已用于賽車、重卡、混合動力車的各種零部件的生產(chǎn)。

3.3橡膠在汽車上的應用

橡膠是工業(yè)上用途廣泛的高分子工程材料，具有耐磨、絕緣、不透氣、不透水等性能，其最具獨特的性能是高彈性，某些特種合成橡膠還具有耐油、耐燃、耐寒、耐熱、耐腐蝕、耐輻射、耐老化等特點。橡膠占汽車用材料總質(zhì)量的5%，并在汽車系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。用于汽車的橡膠部件有很多，如：汽車輪胎、門窗密封條、膠管、傳動帶、減震制品、發(fā)動機進氣管、發(fā)動機進水管、發(fā)動機燃油管、液壓舉、散熱器進水管、升系統(tǒng)高低壓膠管、氣管、制動油、離合油管、膠帶、防塵罩、油封、皮膜、皮碗、腳踏板護墊、傳動軸伸縮套、操作件防塵罩限位塊等部件。汽車上大量使用含氟橡膠、丙烯酸酯橡膠和硅膠等高檔膠是將來汽車橡膠材料發(fā)展的主流方向。用熱塑性聚酯彈性體（即TPEE材料）生產(chǎn)的等速萬向節(jié)防塵罩，取代原來的橡膠，可輕量化50%。歐美、日本部分車上開始使用TPEE材料，能在滿足耐油、耐熱的同時，實現(xiàn)輕量化的目的。

4　結(jié)論

高分子材料與金屬材料、陶瓷材料一起并列為三類最重要的材料。具有質(zhì)輕、高強、耐腐蝕、易成型等優(yōu)點的高分子材料在現(xiàn)代交通運輸業(yè)中的應用越來越廣泛，“以塑代鋼”是目前材料科學研究的熱點與重點，也是未來汽車工業(yè)發(fā)展的主導方向。在各類交通工具中，高分子材料正在逐步替代大比重的金屬材料與陶瓷材料，從而實現(xiàn)輕量化，如：汽車車身與車殼結(jié)構(gòu)材料中已有50%是采用高分子材料，還有宇航與航空機身和機翼采用高分子復合材料占到總質(zhì)量的70%～80%。實踐證明：要實現(xiàn)交通工具的輕量化，必須增加塑料及其復合材料的應用。

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