汽車輕量化背景下節(jié)能環(huán)保新材料的選用

劉志偉，孟洲漁，周小梅，周 勇

(南京聚隆科技股份有限公司 江蘇 南京 210061)

1 汽車輕量化的研究意義

目前，人們越來越重視汽車各方面綜合性能，同時(shí)為了響應(yīng)國家號召，現(xiàn)代汽車發(fā)展趨勢是實(shí)現(xiàn)輕量化[1]，這樣汽車降低了燃油消耗量，節(jié)約資源，同時(shí)減少尾氣排放量，從而保護(hù)環(huán)境。為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，首先要從汽車材料的改進(jìn)研發(fā)出發(fā)，研制低成本、高強(qiáng)度性能的輕質(zhì)汽車材料，從而節(jié)約能源、綠色環(huán)保。汽車技術(shù)發(fā)展離不開汽車材料的發(fā)展，符合國家標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能環(huán)保新材料的研發(fā)對汽車工業(yè)發(fā)展起到重要作用。研究表明[2]，汽車整車重量減少 10%，燃油消耗量可降低 6%～8%，尾氣排放量也相應(yīng)減少，同時(shí)汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)了汽車加速性能，而且改進(jìn)了車輛控制穩(wěn)定性、噪音、振動(dòng)等各方面的綜合性能。整車輕量化是實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的有效手段，對于有害氣體的控制，即整車 VOC[3]控制，對實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代社會綠色環(huán)保有重要影響。當(dāng)前，國內(nèi)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的新型材料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，同時(shí)在汽車制造行業(yè)逐漸被認(rèn)可應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)[4]，汽車車身、底盤(含懸架系統(tǒng))、發(fā)動(dòng)機(jī)三大件約占一輛轎車總重量的 65%以上。其中車身內(nèi)外覆蓋件的重量又居首位，因此減少汽車自身重量對降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗和減少汽車總重量具有雙重效應(yīng)。綜上所述，為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，必須從車身制造材料方面入手，尋找研發(fā)低成本、低密度、高強(qiáng)度和綠色環(huán)保輕質(zhì)材料，如塑料聚合物材料、陶瓷材料等。

塑料聚合物材料在降低成本的同時(shí)，既可以降低整車質(zhì)量，又綠色環(huán)保，因此是汽車首選的最多的非金屬材料，相關(guān)技術(shù)也比較成熟，塑料應(yīng)用也非常廣泛。塑料[5]材料，其密度較小，從而重量較輕，而且材料本身強(qiáng)度性能高，熱穩(wěn)定性強(qiáng)，耐腐蝕性強(qiáng)，成本相比金屬較低，在遇到撞擊時(shí)可以充分吸收能量，加工工藝比較簡單，用作汽車內(nèi)飾材料比較美觀、舒服，對整車的安全性、舒適性和外觀都有提升。本文著重介紹汽車保險(xiǎn)杠薄壁材料、以塑代鋼材料、綠色環(huán)保材料的發(fā)展。

2 保險(xiǎn)杠薄壁化材料

目前，塑料保險(xiǎn)杠[6]主要通過注塑成型生產(chǎn)，采用的主流材料為改性聚丙烯(PP)。歐美主機(jī)廠重點(diǎn)關(guān)注安全系數(shù)因素，量產(chǎn)車型保險(xiǎn)杠壁厚一般為2.7～3mm，正在向 2.5mm發(fā)展。日系車的塑料件側(cè)重關(guān)心燃油消耗量的減少，從而節(jié)約能源，主機(jī)廠從一開始就傾向于保險(xiǎn)杠薄壁化，現(xiàn)在保險(xiǎn)杠壁厚絕大多數(shù)為 2.2～2.5mm，同時(shí)少量制件經(jīng)過多重改進(jìn)設(shè)計(jì)，壁厚已達(dá) 2mm，且仍有下降趨勢，多是與材料供應(yīng)商同步開發(fā)，研發(fā)階段車型的保險(xiǎn)杠壁厚甚至達(dá)到1.8～2mm。國內(nèi)主機(jī)廠量產(chǎn)型保險(xiǎn)杠壁厚多為3mm左右，而已知的國內(nèi)自主品牌汽車的塑料件最薄壁厚為2.6mm。實(shí)際上，主機(jī)廠對保險(xiǎn)杠制品的要求不斷變化，2003年至今，對于保險(xiǎn)杠的要求，主要集中在低成本、壁厚減薄至 2～3mm、能快速成型、實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)滿足高強(qiáng)度等幾個(gè)重點(diǎn)方面。

2.1 高流動(dòng)性

壁厚減薄，熔體充模時(shí)要受到更大的阻力，同時(shí)，熔體冷卻速度加快也容易導(dǎo)致充模不足，這說明，在相同材料的前提下，需要較大的壓力才可以注滿薄壁型腔，所以材料的高流動(dòng)性對制件加工有很大的影響。高流動(dòng)性的材料，在加工注塑壁厚減薄的材料工藝方面減少了一定的困難，如對注射壓力、成型溫度和模具溫度等條件的要求下降，同時(shí)缺膠問題基本不會出現(xiàn)。

2.2 高模量

壁厚減薄會導(dǎo)致制品剛度下降。汽車保險(xiǎn)杠噴涂后的外觀效果要求限制了其背面做加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，從綜合性能方面考慮，想要制品的強(qiáng)度足夠高，材料的彎曲模量必須相應(yīng)增強(qiáng)，這樣才可以保證制品滿足高強(qiáng)度的要求。

2.3 高韌性

汽車保險(xiǎn)杠屬于被動(dòng)安全件，是汽車的安全防護(hù)裝置之一，此外，在汽車與行人發(fā)生碰撞事故時(shí)，保險(xiǎn)杠還可以起到一定的保護(hù)行人的作用。因此，無論是傳統(tǒng)保險(xiǎn)杠還是薄壁保險(xiǎn)杠都要求材料具有高韌性。通常用材料的沖擊強(qiáng)度表征其韌性，傳統(tǒng)的保險(xiǎn)杠材料沖擊強(qiáng)度一般要求在 35kJ/m2以上，更嚴(yán)格的要求在40kJ/m2以上；薄壁化材料的沖擊強(qiáng)度要求有所下降，但通常也在30kJ/m2以上。

薄壁保險(xiǎn)杠所用材料具有高模量、高韌性和高熔指的特性。其中，高模量是為了滿足制件減薄后的剛性要求，高韌性是為了滿足零件碰撞吸能和無脆片飛濺方面的要求。另外，在壁厚減薄的前提下，材料的加工性能必然要求更高，對此高熔指也成為一個(gè)必要條件。目前，國內(nèi)自主品牌已在保險(xiǎn)杠薄壁化方面有了應(yīng)用實(shí)踐，某些車型已經(jīng)量產(chǎn)，但基本壁厚大多在2.5mm階段。隨著應(yīng)用的成熟以及輕量化發(fā)展趨勢的推動(dòng)，一些車型將朝著壁厚 2.2mm 甚至更薄的方向發(fā)展，這對提升 PP基料的水平和改性技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)，如采用綜合性能更好的PP、彈性體以及復(fù)配型的高強(qiáng)度填充體系。

3 以塑代鋼材料

復(fù)合材料尤其是碳纖維復(fù)合材料[7]，在汽車技術(shù)發(fā)展方面實(shí)現(xiàn)汽車輕量化應(yīng)用非常廣泛，給傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)理念提供了一種新的思路，同時(shí)也給制造技術(shù)帶來一定的影響，如汽車車身制作，沖壓、焊裝、涂裝和總裝等傳統(tǒng)制造工藝、管理模式可能出現(xiàn)徹底的改變。復(fù)合材料密度相對較小，自身強(qiáng)度性能高，熱穩(wěn)定性好，耐腐蝕性強(qiáng)，抗振效果明顯，耐沖擊，同時(shí)加工工藝成熟且容易，制件既安全、舒適，又設(shè)計(jì)美觀。同時(shí)滿足低成本、汽車重量減輕、高強(qiáng)度要求等方面，綜合性能比較幾乎可以超過鋁材。

4 綠色環(huán)保材料

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，環(huán)保及車內(nèi)空氣污染潛在的危害越來越受到消費(fèi)者的關(guān)注，這也是各大汽車主機(jī)廠亟待解決的行業(yè)難題。內(nèi)飾部件的揮發(fā)性有機(jī)化合物[8]是影響車內(nèi)空氣的主要原因之一。大多數(shù)內(nèi)飾部件中都含有一定量的揮發(fā)性有機(jī)化合物，主要包括甲醛、乙醛、丙烯醛、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯等物質(zhì)。當(dāng)氣溫達(dá)到一定高度時(shí)，這些揮發(fā)性物質(zhì)就會釋放出來，產(chǎn)生令人不舒服的氣味，甚至引起頭疼，對身體造成傷害。

因此大量的研究工作正致力于提高PP復(fù)合材料的抗沖擊性能和低散發(fā)性能，以此來制備高強(qiáng)度、低散發(fā)的環(huán)保汽車內(nèi)飾復(fù)合材料，例如選用合適的增韌劑、填充材料、偶聯(lián)劑等其他加工助劑對 PP材料進(jìn)行填充、增韌共混改性，或通過改變擠出工藝條件、添加吸附劑等方法對PP制品的VOC和氣味進(jìn)行調(diào)控。制備聚丙烯汽車內(nèi)飾復(fù)合材料的方法在國內(nèi)外有相關(guān)報(bào)道，Trassl等[9]提出了一種基于泡沫顆粒的超輕汽車內(nèi)飾件概念，這種具有多材料系統(tǒng)的汽車內(nèi)飾件將更輕，但未對汽車內(nèi)飾散發(fā)性能進(jìn)行研究。Chu等[10]研制了一種低 VOC含量 PP材料，同時(shí)對其在加工工藝技術(shù)和在汽車內(nèi)飾中的應(yīng)用進(jìn)行了一系列的研發(fā)，指出制備生產(chǎn)材料時(shí)，采用高質(zhì)量、高純度的母料和助劑，運(yùn)用新型聚合技術(shù)，這樣可以從根本上對所生產(chǎn)的聚合物中的揮發(fā)性有機(jī)化合物含量有所控制；對于生產(chǎn)加工來說，在基體材料中添加高效的氣味吸附劑和萃取劑，聚合物基體中具有氣味的有機(jī)化合物幾乎很好地被吸附。Yang等[11]則研究了 PP/POE共混物在沖擊和高速拉伸實(shí)驗(yàn)中的脆韌轉(zhuǎn)變，揭示了增韌劑POE對共混物強(qiáng)度的影響，對制備高強(qiáng)度的PP復(fù)合材料提供理論基礎(chǔ)。李英平等[12]研究了車用聚丙烯改性材料氣味控制相關(guān)技術(shù)，結(jié)果表明車用聚丙烯材料的氣味性要得到有效降低最好的方法就是在基體材料中添加除味劑進(jìn)行復(fù)合除味。潘瑞琦等[13]重點(diǎn)關(guān)注了聚丙烯氣味及揮發(fā)性有機(jī)物受助劑因素的影響，主要通過添加不同的抗氧劑、過氧化物、光穩(wěn)定劑、化學(xué)除味劑和氣味吸附劑等助劑，研究 PP氣味和 VOC的不同變化、不同影響，給生產(chǎn)加工低散發(fā)PP材料提供了重要的新思路。

5 總 結(jié)

汽車輕量化目前主要實(shí)現(xiàn)方式有結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過先進(jìn)的 CAE分析技術(shù)，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；新型材料的選用，如高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等新材料的以塑代鋼；先進(jìn)的成型技術(shù)，如微發(fā)泡注塑工藝等。融合了材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)的一體化設(shè)計(jì)，降低整車零部件重量并保持零部件的強(qiáng)度及可靠性。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的綜合指標(biāo)是減重、環(huán)保、降耗、安全、舒適，但必須確保隨著汽車產(chǎn)品自身重量的降低，汽車綜合性能得到增強(qiáng)。輕量化和綠色環(huán)保是一項(xiàng)涉及基礎(chǔ)理論、工程設(shè)計(jì)、工廠制造、實(shí)踐驗(yàn)證的內(nèi)容豐富、涉及領(lǐng)域廣泛的課題，必將經(jīng)歷一個(gè)努力的探索過程。汽車將在不遠(yuǎn)的將來，以清潔、強(qiáng)大、輕量的嶄新形象引導(dǎo)新一代的潮流。