聚碳酸酯在汽車玻璃窗上的應(yīng)用研究

楊斌 梁志

眾泰汽車工程研究院 浙江省杭州市 310018

1 引言

伴隨著聚碳酸酯的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，國(guó)外許多車型已經(jīng)采用聚碳酸酯替代了傳統(tǒng)鋼化玻璃廣泛應(yīng)用于汽車車窗上，聚碳酸酯在其材料自身性能優(yōu)秀的基礎(chǔ)上還擁有傳統(tǒng)玻璃無(wú)法比擬的輕便性，并擁有高自由度的設(shè)計(jì)性，從而成為了汽車玻璃窗的理想材料。

2 聚碳酸酯的性能分析及車窗應(yīng)用部位

聚碳酸酯（PC）是一種強(qiáng)韌的熱塑性樹脂，由于PC自身的高機(jī)械性能，從而成為應(yīng)用最廣泛的通用工程塑料。聚碳酸酯具有高強(qiáng)度及彈性系數(shù)、高沖擊強(qiáng)度、使用溫度范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，且具有高度透明性的特性，成型性強(qiáng)且安裝簡(jiǎn)單，成形后收縮率低，無(wú)味無(wú)臭對(duì)人體無(wú)害。從而使得聚碳酸酯的廣泛應(yīng)用得到了性能保障。

作為聚碳酸酯在玻璃窗上的應(yīng)用，由于我國(guó)對(duì)于聚碳酸酯的應(yīng)用開始較晚，國(guó)內(nèi)暫時(shí)缺少相應(yīng)的法律法規(guī)，因此我們可以參考國(guó)外相關(guān)法規(guī)規(guī)定，基于對(duì)車內(nèi)人員人身安全的考量，為了在事故發(fā)生時(shí)便于逃生，聚碳酸酯材料不能用于前風(fēng)擋玻璃窗和前排側(cè)窗，卻對(duì)后排側(cè)窗沒(méi)有進(jìn)行禁止。也就意味著，在汽車的后排車窗也可以合理的安排聚碳酸酯材料的應(yīng)用。由于日本國(guó)內(nèi)改訂了汽車保安基準(zhǔn)，開放了汽車前擋風(fēng)玻璃的材料準(zhǔn)則，要求車窗達(dá)到與玻璃同等耐磨耗性的基礎(chǔ)上，可以采用PC樹脂材料。這也就意味著聚碳酸酯在未來(lái)將擁有更多的發(fā)展空間，伴隨著對(duì)聚碳酸酯的進(jìn)一步開發(fā)，用聚碳酸酯替代汽車原本的金屬車頂也是未來(lái)發(fā)展的方向。

3 聚碳酸酯在汽車玻璃中的商業(yè)化價(jià)值

3.1 高安全性

作為汽車玻璃窗上的應(yīng)用，聚碳酸酯的安全性考量應(yīng)該放在首位。聚碳酸酯材料自身具有高強(qiáng)度、高彈性系數(shù)及高沖擊強(qiáng)度的特點(diǎn)。根據(jù)撞擊試驗(yàn)表明：厚度為3.2mm的自身帶有缺口的艾氏沖擊實(shí)驗(yàn)片，在常溫條件下具有高達(dá)780～790 J/m的抗沖擊強(qiáng)度，自身破碎斷裂為延性斷裂。也就意味著，當(dāng)危險(xiǎn)情況出現(xiàn)時(shí)，聚碳酸酯玻璃窗在破碎后不會(huì)產(chǎn)生尖銳的裂口，從而減少傳統(tǒng)鋼化玻璃破損時(shí)對(duì)人體可能造成的傷害。通過(guò)對(duì)聚碳酸酯的撞擊實(shí)驗(yàn)，表明聚碳酸酯玻璃的抗沖擊性為無(wú)機(jī)玻璃跟有機(jī)玻璃的15倍以上。許多防彈轎車，車窗玻璃在采用了多層聚碳酸酯的復(fù)合材料后，可以充分滿足自身的防彈需求。

3.2 汽車輕量化

為了汽車設(shè)計(jì)美觀跟乘車人的視野考量，汽車車窗需要有更大的開放面積，也就意味著傳統(tǒng)玻璃車窗將給車輛更大的負(fù)荷。聚碳酸酯的密度僅為1.3g/cm3遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無(wú)機(jī)玻璃的2.5g/cm3，，這也就意味著，同等大小的車窗面積，聚碳酸酯的重量比無(wú)機(jī)玻璃減重50%。在減重的基礎(chǔ)上，聚碳酸酯比傳統(tǒng)無(wú)機(jī)玻璃具有更良好的隔熱性能，同等厚度的情況下熱損失同比減少40%-60%，也就是在降低了汽車能耗的同時(shí)，還減少了用于車內(nèi)溫度調(diào)控的附加能耗。

采光度作為汽車玻璃運(yùn)用的重要指標(biāo)，使玻璃材質(zhì)的基本特性。聚碳酸酯擁有n=1.5869的材料反射率，通過(guò)光線反射率計(jì)算可知聚碳酸酯材料的光線反射率R=5.1%，也就意味著光線在穿透聚碳酸酯材料時(shí)將會(huì)產(chǎn)生更小的損耗。因此聚碳酸酯比傳統(tǒng)玻璃具有更優(yōu)秀的透光度，滿足了汽車玻璃對(duì)透光度的要求。作為車燈罩使用時(shí)，聚碳酸酯材料還具有光畸變小的特點(diǎn)，使得車燈的照明強(qiáng)度和照明范圍對(duì)比無(wú)機(jī)玻璃材料都有了不錯(cuò)的提升。

3.3 高自由度的設(shè)計(jì)

碳酸聚酯比傳統(tǒng)玻璃具有更大的造型設(shè)計(jì)自由度，與傳統(tǒng)玻璃相比，碳酸聚酯可以滿足設(shè)計(jì)者不同的設(shè)計(jì)需求，甚至可以完成一些更具有藝術(shù)性跟創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，在美觀的同時(shí)也提高了汽車的安全性。

在汽車制造中，傳統(tǒng)的玻璃制造頭燈在工藝技術(shù)上存在一定的困難。但是聚碳酸酯的應(yīng)用，其自身易成型加工的特性，很好的解決了這一難題，可以將車燈頭部、連接片、燈體等全部模塑在透鏡中，從而方便快捷的完成車頭燈的制造加工。

由于日本國(guó)內(nèi)改訂了汽車保安基準(zhǔn)，開放了汽車前擋風(fēng)玻璃的材料準(zhǔn)則，要求車窗達(dá)到與玻璃同等耐磨耗性的基礎(chǔ)上，可以采用PC樹脂材料。GLM株式會(huì)社的EV跑車“TommykairaZZ”使用了由帝人開發(fā)的聚碳酸酯樹脂無(wú)支柱的前擋風(fēng)玻璃，A柱的去處在個(gè)性張揚(yáng)的同時(shí)，將駕駛員的視野提高了兩倍以上，給人以全新的視覺(jué)效果。

4 聚碳酸酯在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題

4.1 成本較高

聚碳酸酯樹脂材料來(lái)源于石油，伴隨著石油價(jià)格的不斷提高，聚碳酸酯樹脂的價(jià)格也居高不下，遠(yuǎn)高于玻璃。與此同時(shí)聚碳酸酯的樹脂玻璃窗仍然是相對(duì)小眾化的產(chǎn)品，工業(yè)化程度相對(duì)較低，開發(fā)成本比較高，高成本的原材料，并且還需要相關(guān)的模具，因而在車窗的材質(zhì)選擇上許多中低檔車更多的選擇價(jià)格相對(duì)便宜的無(wú)機(jī)玻璃材料。

就成本來(lái)說(shuō)在增加聚碳酸酯的應(yīng)用推廣以提高聚碳酸酯的需求，從而代工聚碳酸酯的工業(yè)化程度，另一方面由于聚碳酸酯就要大量的模具損耗，因此可以在模具管理中降低成本。降低模具成本的方法一般有兩種：一種是采用鋁制模具的使用，先采用CNC設(shè)備進(jìn)行粗加工，然后再進(jìn)行精拋，最后用鍍硬鉻技術(shù)進(jìn)行表面處理，鋁制模具比鋼制模具加工速度更快，且擁有更低的制造成本。另一種是采用軟鋼模具進(jìn)行加工，該方法不用拋光，成本略高于鋁制模具，但比傳統(tǒng)模具更低。伴隨著模具價(jià)格的降低跟聚碳酸酯的推廣應(yīng)用，原材料的價(jià)格也會(huì)隨著有降低的趨勢(shì)，伴隨著多方的改善，從而降低成本。

4.2 耐候及耐磨損

聚碳酸酯樹脂材料的抗磨損較差，由于汽車的特性，需要長(zhǎng)期暴露在室外。聚碳酸酯的材料在長(zhǎng)期暴露后極易變黃，尤其是車窗玻璃。由于車窗玻璃的高透明性的自身特性，使得其對(duì)劃痕與磨損更加敏感，在影響外觀的同時(shí)還會(huì)影響采光，從而對(duì)駕駛造成影響。為了提高聚碳酸酯的耐磨耐候性能，應(yīng)該在聚碳酸酯的選用中，首先要選用自身高耐候高耐磨的聚碳酸酯材料，其次在材料上通過(guò)涂層硬化的方法進(jìn)行保護(hù)處理，在將保護(hù)層涂抹添加后可以有效的提升聚碳酸酯樹脂的耐候性及耐磨損性能。采用熱固化濕法涂覆或者涂漆方法，將丙烯酸酯樹脂或者硅氧烷樹脂涂抹在聚碳酸酯玻璃上，是目前最常用的技術(shù)，這兩者技術(shù)都可以保證聚碳酸酯可以低成本高效率的得到耐候及耐磨損的提高。但是這種方式容易對(duì)環(huán)境造成破壞。Sabic集團(tuán)的EXATEC公司，開發(fā)了等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉淀（PECVD）進(jìn)行硅氧烷濕法涂覆的技術(shù)，在耐磨損及耐候性都得到提升，并且可以保持長(zhǎng)時(shí)間的耐性合格率。

5 聚碳酸酯在汽車玻璃窗上的發(fā)展前景和應(yīng)用趨勢(shì)

汽車玻璃作為汽車重要的安全部件之一，在承載了審美功能的同時(shí)，還兼具著保護(hù)駕駛及乘坐人員的核心職能，同時(shí)也集成采光、放水防塵、耐熱和隔音等作用。伴隨著汽車的發(fā)展跟技術(shù)科學(xué)的進(jìn)步，汽車?yán)^承了越來(lái)越多的新技術(shù)、新功能，這也對(duì)汽車玻璃提出了新的要求。這也意味著傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)玻璃很難承載這些職能，也就為聚碳酸酯汽車玻璃的應(yīng)用帶來(lái)了全新的機(jī)遇。

在國(guó)外，聚碳酸酯材料的供應(yīng)商，以及一些聚碳樹脂玻璃窗開發(fā)公司，為聚碳酸酯在汽車玻璃上的應(yīng)用進(jìn)行了深度的合作開發(fā)，共同推進(jìn)了聚碳酸酯的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，許多大的聚碳酸酯材料供應(yīng)商如沙比克等已進(jìn)入中國(guó)，他們帶來(lái)了先進(jìn)的技術(shù)和與聚碳酸酯樹脂玻璃合作開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，正在需求專業(yè)的成產(chǎn)合作伙伴，一同進(jìn)行聚碳酸酯樹脂玻璃的開發(fā)和生產(chǎn)。伴隨著原材料的大量產(chǎn)出，也為聚碳酸酯的推廣應(yīng)用提供了先決條件。在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，聚碳酸酯材料必將大量使用。技術(shù)革新為汽車的設(shè)計(jì)也帶來(lái)了更多的可能性，全新的設(shè)計(jì)理念，也伴隨聚碳酸酯材料的推廣，逐步實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

由于聚碳酸酯的的高性能表現(xiàn)，聚碳酸酯在汽車中將逐漸替代傳統(tǒng)的車窗玻璃的位置，成為更契合汽車發(fā)展的新材料，并通過(guò)自身的輕量化及造型設(shè)計(jì)自由的特點(diǎn)推動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)的汽車生產(chǎn)商和聚碳酸酯材料商可以吸取國(guó)外先關(guān)從業(yè)廠商的經(jīng)驗(yàn)教學(xué)，結(jié)合自身特性，開發(fā)出優(yōu)秀的產(chǎn)品，打造我們自己的汽車產(chǎn)品，從而促進(jìn)我國(guó)汽車行業(yè)發(fā)展。