塑性材料在汽車配件輕量化發(fā)展中的應(yīng)用研究

高鵬堂

摘要： 隨著塑性材料領(lǐng)域的發(fā)展與壯大，塑性材料的功能日益強(qiáng)大，其應(yīng)用范圍也日益廣泛。在汽車領(lǐng)域中，選用適宜的塑性材料來(lái)代替金屬材料于汽車零部件產(chǎn)品的生產(chǎn)的發(fā)展進(jìn)程也得以推進(jìn)。隨著對(duì)汽車輕量化和節(jié)能環(huán)保的號(hào)召，“以塑代鋼”迎來(lái)快速發(fā)展的新時(shí)期。研究發(fā)現(xiàn)，“以塑代鋼”在汽車零部件領(lǐng)域中的應(yīng)用，在保證產(chǎn)品原有可靠性的同時(shí)，還不同程度的提升了產(chǎn)品的性能;此外，汽車塑料件相較于金屬件，具有輕量化、可塑性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

Abstract： With the development and expansion of the plastic material field， the function of plastic material is becoming more and more powerful， and its application scope is becoming more and more extensive. In the automotive field， the selection of suitable plastic materials to replace metal materials in the production of automotive parts and components is also promoted. With the call for automobile lightening and energy saving and environmental protection， the new period of rapid development is ushered in "plastics to replace steel". The research found that the application of "plastics to replace steel" in the field of automotive parts ensures the original reliability of products， but also improves the performance of products to varying degrees. In addition， automotive plastic parts have advantages of lightweight and plasticity compared with metal parts.

關(guān)鍵詞： 塑料;輕量化;汽車零部件

Key words： plastic;lightweight;automobile parts

中圖分類號(hào)：TQ320.79? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0039-02

0? 引言

目前，隨著社會(huì)對(duì)節(jié)能、環(huán)保意識(shí)的愈發(fā)增強(qiáng)，低能耗、低污染已然成為衡量產(chǎn)品優(yōu)劣的指標(biāo)之一。全球汽車產(chǎn)量以及保有量的與日俱增，由此所產(chǎn)生的日益增加的燃油消耗、尾氣污染等問(wèn)題急需人們?nèi)ソ鉀Q。另外，我國(guó)頒布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》要求發(fā)展綠色汽車工業(yè)。因此，實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)品節(jié)能、減排的目標(biāo)，發(fā)展綠色汽車工業(yè)已成未來(lái)必然趨勢(shì)。汽車輕量化是其實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排目標(biāo)的有效途徑之一。研究表明，燃油汽車的自重每降低0.1t，其每百公里燃油消耗可減少0.8L，同時(shí)減少CO2、NOX等污染氣體排放量約2.5g[1]。因此，為實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排目標(biāo)，助力發(fā)展綠色汽車工業(yè)，各大品牌汽車生廠商愈來(lái)愈重視汽車產(chǎn)品的輕量化效果。與此同時(shí)，在汽車輕量化的研發(fā)進(jìn)程中，塑料，因其所具有的質(zhì)輕、性能優(yōu)良、耐腐蝕和易成形加工等優(yōu)點(diǎn)，愈來(lái)愈受到汽車研發(fā)者的重視、利用，汽車“以塑代鋼”在汽車領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。塑料[2]，通常是對(duì)經(jīng)過(guò)加聚反應(yīng)、縮聚反應(yīng)后聚合形成的高分子化合物的泛指。相比較于鋼材等金屬材料，塑料的密度很低，普通塑料密度在0.2～1.2g/cm3范圍內(nèi)，纖維增強(qiáng)型塑料的密度一般不大于2.5g/cm3?；谒芰系睦砘匦?，塑料可以分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩種。如表1所示出的部分汽車內(nèi)外飾件“以塑代鋼”對(duì)照表，所示飾件過(guò)去大多都以鋼材等金屬材質(zhì)加工而成，而隨著塑料領(lǐng)域的發(fā)展壯大，鋼材等金屬已經(jīng)被塑料所取代。并且，塑料飾件在實(shí)現(xiàn)其輕量化目標(biāo)的同時(shí)，飾件的強(qiáng)度、剛度等性能均得以提升。所以，從現(xiàn)代汽車產(chǎn)品的制造材料上來(lái)看，不僅是外裝飾件、內(nèi)裝飾件，而且其功能與結(jié)構(gòu)件，都可以看到塑料的身影。

相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查表明：目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家汽車整車產(chǎn)品的塑料使用重量平均達(dá)到320kg，約占汽車整車總質(zhì)量的30%左右。另外，我國(guó)汽車整車產(chǎn)品的塑料使用重量大約占汽車整車總質(zhì)量的24%左右。其中，在汽車使用的塑料上，通用塑料（例如PP、PE、PVC、ABS等）的使用率大約占到60%，其次是工程塑料（例如PA、PC、PBT等）的使用率大約占到18%[3]。因此，對(duì)于現(xiàn)代汽車而言，無(wú)論是汽車的內(nèi)飾、外飾，還是汽車的功能結(jié)構(gòu)件，有相當(dāng)大一部分已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用塑料制件代替鋼材制件，即汽車領(lǐng)域內(nèi)“以塑代鋼”的趨勢(shì)盛行。

1? “以塑代鋼”在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 汽車水箱支架? 傳統(tǒng)汽車水箱支架大多是用鋼材、鋁合金等金屬作為生產(chǎn)材料制作而成，然而，傳統(tǒng)汽車水箱支架在使用過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移和工作環(huán)境的連續(xù)性變化影響，極容易發(fā)生老化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的使用性能。目前，復(fù)合材料聚丙烯-玻璃纖維材料，被很多汽車飾件公司選用來(lái)作為代替鋼材、鋁合金等金屬材料用于汽車水箱支架產(chǎn)品的生產(chǎn)，并在市場(chǎng)中的占有率逐日增加，已呈現(xiàn)出該領(lǐng)域的“以塑代鋼”化發(fā)展。此外，李勁松[4]等人通過(guò)對(duì)某汽車水箱支架“以塑代鋼”化發(fā)展前后的產(chǎn)品性能研究發(fā)現(xiàn)，相比較于傳統(tǒng)汽車水箱支架，聚丙烯-玻璃纖維材料汽車水箱支架實(shí)現(xiàn)了輕量化目標(biāo)的同時(shí)，還提升了產(chǎn)品的剛度、強(qiáng)度等性能。聚丙烯-玻璃纖維材料（簡(jiǎn)稱“GFRPP”），屬于一種玻璃纖維填料增強(qiáng)聚丙烯材料的熱塑性復(fù)合材料，具有聚丙烯材料原有的耐化學(xué)腐蝕、電絕緣等優(yōu)良性能的同時(shí)，相較于純聚丙烯材料又具有更好的強(qiáng)度、硬度、剛度、耐熱性等性能特點(diǎn)。按照填料玻璃纖維材料的長(zhǎng)度區(qū)分，可有長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料和短玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料兩種。通常，長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料的力學(xué)性能相比較于短玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料更佳。此外，由于玻璃纖維含量的不同，也會(huì)造成材料的綜合力學(xué)性能的差異，如表2[5]所示為不同玻璃纖維材料的含量對(duì)材料綜合力學(xué)性能的影響。

1.2 汽車保險(xiǎn)杠? 傳統(tǒng)汽車保險(xiǎn)杠大多是用鋼板等金屬材料制造而成，由于其長(zhǎng)期暴露于空氣和雨水中，極易發(fā)生腐蝕、生銹現(xiàn)象，喪失對(duì)汽車的保護(hù)功能。隨著汽車輕量化和改性塑料技術(shù)的發(fā)展，汽車前后保險(xiǎn)杠目前已被改性聚丙烯等塑料或者熱塑性彈體材料所取代，同時(shí)有效解決了傳統(tǒng)汽車保險(xiǎn)杠所存在的腐蝕、生銹的缺陷問(wèn)題和提升了其抗沖擊性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，塑料保險(xiǎn)杠目前已占世界汽車保險(xiǎn)杠用料的90%以上。此外，葛如海[6]等人通過(guò)對(duì)塑性汽車保險(xiǎn)杠的數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了其可靠性;劉西文[7]等人通過(guò)對(duì)改性聚丙烯材料的配方研究，提出了一種更為合理的配方方案。改性聚丙烯材料（簡(jiǎn)稱“改性PP”）是在聚丙烯材料中加入一定比例的橡膠或彈性體材料、無(wú)機(jī)填料、助劑等經(jīng)過(guò)混煉加工獲得。改性聚丙烯材料大大減小了聚丙烯材料成型的收縮率，并且因?yàn)樘盍系茸饔?，其在柔韌度、強(qiáng)度、剛度、抗老化性、抗刮劃性能、使用壽命、耐沖擊性等方面都得到了一定提升。聚丙烯材料常用的改性方法主要有3種：①增韌（一般采用乙烯-辛烯共聚物彈性體增韌）;②填充（例如添加硅酮類物質(zhì)）;③增強(qiáng)（多以長(zhǎng)或短玻璃纖維為主）。熱塑性彈體材料（簡(jiǎn)稱“TPE”）是一種通過(guò)材料嵌段或接枝而成型的高分子聚合物。熱塑性彈體材料依據(jù)其主要組分可區(qū)分成苯乙烯類（TPS）、聚烯烴類（TPO）、聚氨酯類（TPU）、聚酰胺類（TPAE）、聚酯類（TPEE）以及聚氯乙烯類（TPVC）六大類。它同時(shí)兼具了橡膠的彈性特性以及塑料的高強(qiáng)度特性，此外，熱塑性彈體材料的回收利用更為便利。據(jù)統(tǒng)計(jì)[8]，全球保險(xiǎn)杠產(chǎn)品采用熱塑性彈體材料已占有整體53%的比例。

1.3 其他零部件? 此外，德國(guó)巴斯夫公司近來(lái)推出的全塑料材質(zhì)輪轂，選用長(zhǎng)纖維增強(qiáng)聚酰胺材料來(lái)代替鋁合金材料，實(shí)現(xiàn)了每只輪轂減輕重量達(dá)3kg的效果;菲亞特某型號(hào)乘用車的后部固定側(cè)窗采用了聚碳酸酯玻璃樹(shù)脂模塑而成，相較于原來(lái)減輕了35%的重量的同時(shí)還提升了氣動(dòng)效率。

2? “以塑代鋼”的發(fā)展優(yōu)勢(shì)

①輕量化。相較于鋼材、鋁合金等金屬材料，“以塑代鋼”無(wú)疑將大大降低產(chǎn)品的質(zhì)量，帶來(lái)輕量化的效果。隨著近年來(lái)汽車領(lǐng)域技術(shù)的蓬勃發(fā)展和當(dāng)前不可再生資源的日益匱乏，汽車更加輕量化已然成為今后汽車關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方向之一。除此之外，汽車實(shí)現(xiàn)輕量化，汽車的穩(wěn)定性和舒適性將也會(huì)得到增強(qiáng)。②可塑性強(qiáng)?？伤苄?，即固體材料在外力作用下發(fā)生形變并保持形變的性質(zhì)。通常塑性材料可以在加熱熔融的狀態(tài)下根據(jù)生產(chǎn)模具的規(guī)格和形狀來(lái)制成產(chǎn)品，并且其還具有生產(chǎn)周期短的特點(diǎn)。此外，塑性材料還具有可反復(fù)循環(huán)加工利用且保持材料的物理力學(xué)性能基本不發(fā)生改變的性能。因此，基于材料較高的可塑性，“以塑代鋼”在制作工藝上可通過(guò)一次性注塑的方式，其生產(chǎn)效率將得到大大提升，還將有效地降低產(chǎn)品的廢品率和次品率，節(jié)約生產(chǎn)成本。③抗老化性強(qiáng)。塑性材料具有較好的抗蠕變性能、抗腐蝕、抗疲勞性能和使用壽命長(zhǎng)等性能。因而，使用抗老化性能強(qiáng)的塑性材料來(lái)代替鋼材、鋁合金等金屬材料，可以解決傳統(tǒng)鋼材、鋁合金的汽車水箱支架使用時(shí)間長(zhǎng)后出現(xiàn)的易老化如銹化、磨損的問(wèn)題，保障了產(chǎn)品的使用性能。此外，隨著人類生存環(huán)境的惡化造成了汽車使用環(huán)境的日益惡劣，存在著大量的腐蝕性氣體、液體不斷侵害我們的汽車零部件，為了更好地保護(hù)我們的汽車產(chǎn)品，應(yīng)用抗老化性強(qiáng)的塑性材料也是未來(lái)汽車外飾件領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

3? 總結(jié)

①汽車用塑料正朝著輕量化、材料統(tǒng)合及環(huán)境友好等方向發(fā)展，通過(guò)采取“以塑代鋼”、 “以輕代重”等措施，更多更輕質(zhì)的塑料材料得到了廣泛的應(yīng)用，汽車領(lǐng)域內(nèi)塑料材料正在逐步地、越來(lái)越多地替代金屬材料。

②隨著塑性材料領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步，塑性材料的綜合性能越來(lái)越優(yōu)于以往金屬材料;配合著汽車輕量化及節(jié)能環(huán)保進(jìn)程的推進(jìn)，汽車塑料化的程度必然將逐漸提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]梅燁，李勁松，李美.基于有限元分析的聚丙烯/玻璃纖維水箱支架研究[J].中國(guó)塑料，2015，29（12）：82-85.

[2]Messac A. 10th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference， Albany， NY， 30 Augus-1 September 2004 [J]. Structural and Multidisciplinary Optimization，2003，25（4）：310.

[3]楊挺.汽車工業(yè)中塑料材料應(yīng)用的現(xiàn)狀及展望[J].化工新型材料，2013（05）：1-4.

[4]李勁松，李美，梅燁.玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯水箱支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].中國(guó)塑料，2016，30（04）：99-101.

[5]徐昌華，唐坤榮，張萬(wàn)俊，吳人潔.玻璃纖維含量及偶聯(lián)劑對(duì)聚丙烯復(fù)合材料應(yīng)力松弛行為的影響[J].玻璃鋼，1981（04）：8-16.

[6]葛如海，王群山.汽車保險(xiǎn)杠碰撞的數(shù)值模擬[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（04）：308-311.

[7]劉西文.塑料在“輕量化”汽車中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)塑料，2010，24（12）：8-13.

[8]朱永彬，劉廷華.汽車塑料化及其前景[J].塑料，2005（05）：40-46，53.