聚碳酸酯在汽車玻璃窗上的應(yīng)用

史榮波

(奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程研究院, 安徽 蕪湖 241009)

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聚碳酸酯在汽車玻璃窗上的應(yīng)用

史榮波

(奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程研究院, 安徽 蕪湖 241009)

輕量化和環(huán)保是未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì)。歐洲已經(jīng)開(kāi)始全面使用聚碳酸酯替代普通玻璃，使用于汽車的前后1/4(三角)車窗、固定側(cè)窗、后固定窗、全景天窗和透明車身板部件。這一革命使汽車玻璃窗減重達(dá)50%，而且比玻璃車窗具有更大的設(shè)計(jì)自由度。介紹了聚碳酸酯玻璃窗的應(yīng)用部位、商業(yè)化價(jià)值、面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)措施以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

聚碳酸酯； 玻璃窗； 輕量化； 應(yīng)用

0 前言

歐盟機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聚碳酸酯工程塑料的應(yīng)用起到了重要的推動(dòng)作用。目前，國(guó)外許多車型采用聚碳酸酯替代鋼化玻璃，應(yīng)用在全景天窗、后三角窗、后玻璃窗等部位。由于聚碳酸酯較傳統(tǒng)的玻璃材料質(zhì)量輕，并具有光學(xué)性能好、設(shè)計(jì)自由度高、抗碎裂性能優(yōu)等特點(diǎn)，已成為汽車玻璃窗的理想材料。

1 聚碳酸酯汽車玻璃窗的應(yīng)用部位

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有對(duì)聚碳酸酯玻璃窗出臺(tái)相應(yīng)的法規(guī)。根據(jù)北美、歐盟及日本的法規(guī)，從安全角度考慮，由于有事故逃生的需求，聚碳酸酯材料不能使用于前風(fēng)擋玻璃窗和前排側(cè)窗，但沒(méi)有禁止使用于后排側(cè)窗。三角窗、后玻璃窗、層疊式天窗和全景天窗是聚碳酸酯樹(shù)脂玻璃的主要應(yīng)用部位。另外，用聚碳酸酯材料替代整個(gè)金屬車頂模塊也是未來(lái)的趨勢(shì)。表1是關(guān)于聚碳酸酯玻璃窗的法規(guī)及應(yīng)用。

表1 關(guān)于聚碳酸酯玻璃窗的法規(guī)及應(yīng)用

2 聚碳酸酯汽車玻璃窗的商業(yè)化價(jià)值

聚碳酸酯作為五大工程塑料之一，具有光學(xué)性能好、質(zhì)量輕、抗沖擊強(qiáng)度高，還具有設(shè)計(jì)自由度高及加工性能良好等特點(diǎn)，以其獨(dú)特的造型設(shè)計(jì)及減重潛力應(yīng)用于汽車玻璃窗，引起了汽車行業(yè)極大的關(guān)注。

2.1 輕量化

應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)格的尾氣排放法規(guī)，用聚碳酸酯替代玻璃，提供了一種新的輕量化解決方案。一塊厚度為5 mm的聚碳酸酯工程塑料的面積質(zhì)量是6 kg/m2，而鋼化安全玻璃的面積質(zhì)量是它的兩倍[1]。與傳統(tǒng)的玻璃車窗比較，聚碳酸酯材料的車窗可以減輕質(zhì)量達(dá)50%左右[2]。圖1為奇瑞汽車公司生產(chǎn)的五門MPV車型，其前門玻璃窗使用鋼化玻璃，厚度為3.2 mm，側(cè)門玻璃窗、固定玻璃窗采用隱式玻璃，厚度為3.5 mm；若采用厚度為4 mm的聚碳酸酯樹(shù)脂玻璃替代，質(zhì)量減輕16.2 kg，下降了43.9%。詳細(xì)質(zhì)量對(duì)比數(shù)據(jù)，如表2所示。

圖1 五門MVP車型

2.2 造型設(shè)計(jì)自由度

聚碳酸酯樹(shù)脂比玻璃具有更大的造型設(shè)計(jì)自由度，可設(shè)計(jì)成具有形狀不規(guī)則的三維立體效果，并可以與汽車外蒙皮或其他車窗零件集成為一體。例如：原GE公司和韓國(guó)現(xiàn)代合作開(kāi)發(fā)的現(xiàn)代QarmaQ概念車集車窗玻璃于前風(fēng)擋玻璃于一體，同時(shí)該設(shè)計(jì)去掉A柱，將駕駛員的視野提高兩倍以上，給人以嶄新的視覺(jué)效果；以及沙比克與通用合作開(kāi)發(fā)的新式Chevy Volt電動(dòng)概念車的頂篷、后甲板和固定側(cè)窗采用帶有EXATEC保護(hù)層的Lexan聚碳酸酯，應(yīng)用環(huán)繞式車窗玻璃設(shè)計(jì)，可使司機(jī)和乘客獲得幾乎360°的視野。

表2 樹(shù)脂玻璃替代普通玻璃的質(zhì)量對(duì)比

2.3 安全性

在塑料中聚碳酸酯的抗沖擊強(qiáng)度最高。厚度為3.2 mm的帶缺口的艾氏沖擊試驗(yàn)片，在常溫下具有高達(dá)780～980 J/m的抗沖擊強(qiáng)度。溫度低于-30 ℃，其破壞斷裂由延性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，即使在此溫度下，其抗沖擊強(qiáng)度也比其他樹(shù)脂的高[3]，因此，聚碳酸酯玻璃窗在沖擊破碎時(shí)不會(huì)產(chǎn)生尖銳的棱角，在汽車翻滾事故中，減少對(duì)人體的傷害。

3 聚碳酸酯汽車玻璃窗面臨的挑戰(zhàn)

聚碳酸酯樹(shù)脂應(yīng)用于汽車玻璃窗，面臨著成本、性能的挑戰(zhàn)。居高不下的設(shè)計(jì)、材料、模具開(kāi)發(fā)的成本；材料表面硬度低，長(zhǎng)期受風(fēng)沙、雨刮的磨損易粗糙霧化，降低行車安全；樹(shù)脂抗UV性能差，長(zhǎng)期暴露在室外，導(dǎo)致老化黃變，影響車身美觀。

3.1 高成本

來(lái)源于石油的聚碳酸酯樹(shù)脂，價(jià)格高于玻璃。由于樹(shù)脂玻璃窗仍然是小眾化產(chǎn)品，工業(yè)化程度低，開(kāi)發(fā)成本比較高，但隨著用量的增加，價(jià)格必然降低。在汽車車窗生產(chǎn)的低成本模具解決方法中，國(guó)外Warwick Manufacturing Group(WMG)開(kāi)發(fā)了降低批量生產(chǎn)車窗模具成本的方法。一種方法是采用鋁制模具：先采用CNC設(shè)備進(jìn)行粗加工，然后再進(jìn)行精拋，接著用鍍硬鉻技術(shù)進(jìn)行表面處理。鋁制模具能進(jìn)行20 000次成型，且加工速度比鋼制模具的更快，而且成本降低70%。另一種方法是采用軟鋼模具：用高速CNC設(shè)備進(jìn)行機(jī)加工，不必進(jìn)行拋光。這種方法依賴于模內(nèi)嵌入的薄膜以降低表面的粗糙度，僅需在模具的一側(cè)進(jìn)行拋光。這種模具能進(jìn)行50 000次成型，成本比傳統(tǒng)模具降低40%[4]。

3.2 耐候及耐磨損

聚碳酸酯樹(shù)脂抗磨損較差，長(zhǎng)期暴露在室外易黃變，特別是車窗玻璃。由于其高度的透明性，任何磨損擦痕及老化黃變都會(huì)影響外觀。為了提高聚碳酸酯樹(shù)脂玻璃的耐侯及耐磨損性能，首先需選用耐候、耐磨損級(jí)別的聚碳酸酯樹(shù)脂，并在聚碳酸酯樹(shù)脂表面進(jìn)行涂層硬化處理，即將薄薄的保護(hù)層涂覆在聚碳酸酯樹(shù)脂玻璃上， 這樣就可以大大提高其耐候及耐磨損性能。采用熱固化濕法涂覆或者涂漆方法，將丙烯酸酯樹(shù)脂或者硅氧烷樹(shù)脂涂覆在聚碳酸酯玻璃上，是目前最常用的技術(shù)。濕法涂層更耐紫外線輻射，但是制品的表面硬度往往無(wú)法令人滿意，同時(shí)濕法涂覆使用溶劑，也增加了環(huán)境保護(hù)的成本， 因此，生產(chǎn)成本低、加工時(shí)間短、沉積速率高、環(huán)保的氣相沉積技術(shù)，如化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)或者等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)等方法正在取代濕法涂漆，特別適用大型汽車玻璃窗制品[4]。例如：錄屬于Sabic集團(tuán)的 EXATEC公司開(kāi)發(fā)了等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法進(jìn)行硅氧烷濕法涂覆的專利技術(shù)。與普通的硅涂層相比，耐磨損性、耐侯性、耐劃傷性均得以提高。采用EXATEC 900 PC系統(tǒng)的樹(shù)脂玻璃窗，10年后仍能保證99%的合格率,14年后仍能保證95%的合格率,如圖2所示。

圖2 聚碳酸酯樹(shù)脂玻璃的耐候性試驗(yàn)

4 聚碳酸酯汽車玻璃窗的發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外沙比克、拜耳、帝人等聚碳酸酯原材料供應(yīng)商，以及PUWORLD，SUMMERE，EXATEC等一些樹(shù)脂玻璃窗應(yīng)用開(kāi)發(fā)公司，為聚碳酸酯玻璃窗的應(yīng)用提供了巨大的技術(shù)支持。在國(guó)內(nèi)，沙比克、拜耳等原材料公司已經(jīng)進(jìn)入中國(guó)，他們有著和主機(jī)廠合作開(kāi)發(fā)聚碳酸酯樹(shù)脂玻璃的經(jīng)驗(yàn)，正尋求專業(yè)的生產(chǎn)聚碳酸酯樹(shù)脂汽車玻璃窗合作伙伴。在不久的將來(lái),聚碳酸酯樹(shù)脂必將大量使用，除了全景式天窗、透明車頂?shù)仍絹?lái)越成為新的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)之外，富有想象力的透明車身設(shè)計(jì)正演化成一種新的汽車設(shè)計(jì)時(shí)尚，將會(huì)變得越來(lái)越充滿誘惑。同時(shí)設(shè)計(jì)人員已開(kāi)始更多地從功能和審美角度開(kāi)發(fā)出新的“透明”設(shè)計(jì)，車輛因此變得別具魅力，如司機(jī)可以在停車時(shí)透過(guò)車窗觀看外面的景色，并線或轉(zhuǎn)彎時(shí)可以透過(guò)A、B車柱觀察路面，孩子們也可以從一個(gè)新奇的視角欣賞外面的世界。

5 結(jié)語(yǔ)

聚碳酸酯汽車玻璃的輕量化及造型設(shè)計(jì)自由度，是推動(dòng)其發(fā)展的動(dòng)力。國(guó)內(nèi)汽車主機(jī)廠可以借鑒吸收國(guó)外的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，協(xié)同材料、零部件供應(yīng)商在三角窗、固定側(cè)窗及后固定窗部件上，共同開(kāi)發(fā)聚碳酸酯汽車玻璃窗，提高國(guó)內(nèi)汽車輕量化技術(shù)，使節(jié)能減排達(dá)到更高的水平。

[1] 張忠軍，龔漱娟，蔡文波. 聚碳酸酯汽車車窗的前景[J].汽車制造業(yè), 2009(4): 49.

[2] 張忠軍，龔漱娟，陳永光. 輕且透明的PC車窗玻璃[J].汽車制造業(yè),2010(4): 38.

[3] 師洪俊，王強(qiáng)，丁風(fēng),等.合成樹(shù)脂及塑料技術(shù)全書(shū)[M].北京：中國(guó)石化出版社.2006.

[4] 張忠軍，孫潔，李靜敏.先進(jìn)的鍍膜、共注射和涂層技術(shù)[J].汽車制造業(yè), 2009(2): 32.

·研究與應(yīng)用·

Application of Polycarbonate in Automobile Glazing

SHI Rong-bo

(Automotive Engineering Research Institute, Chery Automobile Co., Ltd., Wuhu 241009, China)

Light weight and environment friendly are the development trend of automobile in future. Nowadays, the common glass is being replaced by polycarbonate in Europe. It has been applied in the front and rear quarter windows, side windows, rear windows, panoramic roof and transparent body panels. This revolution makes the mass of automobile glazing decreased by 50%, and has more designing freedom than that made of glass. The applied position, business value, faced challenges and strategy, and future development trend of polycarbonate glazing are introduced.

polycarbonate； glazing； light weight； application

史榮波(1979—)，男，工程師，從事非金屬材料的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)

TQ 320

A

1009-5993(2016)02-0022-03

國(guó)家863項(xiàng)目 國(guó)產(chǎn)新型轎車輕量化材料關(guān)鍵技術(shù)研究，課題編號(hào)：2005AA331010

2016-03-07)