微發(fā)泡工藝在乘用車上的應(yīng)用與前景展望

王精武　劉揚　李世剛

【摘要】為了充分挖掘微發(fā)泡工藝在乘用車零部件中的輕量化潛力，基于文獻分析總結(jié)微發(fā)泡工藝原理、應(yīng)用情況，并對微發(fā)泡工藝應(yīng)用前景進行展望。目前，儀表板骨架、門板護板、發(fā)動機裝飾罩等乘用車部分內(nèi)外飾零部件利用該工藝成型，可實現(xiàn)乘用車質(zhì)量減輕5%～20%，具有良好的尺寸穩(wěn)定性，無需對模具進行反復(fù)修改。

關(guān)鍵詞：乘用車；微發(fā)泡工藝；輕量化

中圖分類號：U469.5；TQ314.2；U463.82 文獻標志碼：A DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230206

Application and Prospect of Micro-Foaming Process in Passenger Cars

Wang Jingwu1， Liu Yang1， Li Shigang2

（1. Global R&D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013;

2. Quality Assurance Department， FAW-Volkswagen Automobile Co.， Ltd.， Changchun 130011）

【Abstract】 In order to fully exploit the lightweight potential of micro-foaming process in parts of passengercar， the principle， application and prospect of micro-foaming process are analyzed. At present， some interior and exterior parts of passenger cars can be molded by this process， such as instrument panel skeleton， door guard plates， engine decorative covers， etc.， which can realize 5%～20% weight reduction of passenger cars and perform good dimensional stability with no need to modify the mold repeatedly.

Key words： Passenger cars， Micro-foaming process， Lightweight

0 引言

汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一，旨在減少車輛能源損耗、降低碳排放、增加新能源汽車的續(xù)駛里程，因此乘用車輕量化成為汽車領(lǐng)域的重要研究方向，對汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。微發(fā)泡工藝作為近年來乘用車及其零部件實現(xiàn)輕量化的一個熱門工藝，在不顯著降低塑料零部件強度的同時，可通過減少材料用量、縮短生產(chǎn)周期，實現(xiàn)降低成本、減輕整車質(zhì)量的目的[1，2]。目前，微發(fā)泡工藝研究方向主要通過調(diào)整基材、發(fā)泡劑、成核劑、增強材料等各組分的配比來提高微發(fā)泡制品的發(fā)泡質(zhì)量和表面質(zhì)量，從而提高零部件的綜合力學性能。除此之外，微發(fā)泡材料具有良好的抗沖擊性能，緩沖、隔熱性能優(yōu)異，在相同質(zhì)量下具有更高的抗彎強度[3，4]。

本文從工藝原理、原材料、設(shè)備、成型過程多個維度系統(tǒng)地綜述了物理微發(fā)泡工藝和化學微發(fā)泡工藝，分析其在乘用車零部件應(yīng)用中的優(yōu)勢及劣勢；介紹了乘用車不同系統(tǒng)零部件采用該工藝的應(yīng)用實例，并對方案進行簡介，量化降重、縮短注塑周期數(shù)據(jù)；梳理微發(fā)泡工藝在乘用車零部件中的輕量化潛力，比較分析微發(fā)泡注塑工藝與傳統(tǒng)注塑工藝，并闡述微發(fā)泡工藝在降低成本和減輕質(zhì)量方面的優(yōu)勢[5，6，7]。

1 微發(fā)泡工藝原理

1.1 物理微發(fā)泡工藝原理

微發(fā)泡工藝按照發(fā)泡原理可分為物理微發(fā)泡工藝和化學微發(fā)泡工藝2類。物理微發(fā)泡工藝是利用超臨界流體作為發(fā)泡劑，在零部件芯體內(nèi)部引入大量直徑范圍為10～100 [μm]微孔的成型工藝，因此也被稱為超臨界微孔發(fā)泡成型工藝。超臨界流體通過控制溫度和壓強，使氣體處于超臨界狀態(tài)，其物理性質(zhì)介于氣態(tài)和液態(tài)之間，即擴散系數(shù)和黏度接近氣態(tài)，具有高擴散性和優(yōu)良的溶解性；除此之外，超臨界流體的密度接近液態(tài)，具有液態(tài)的可壓縮性，方便運輸和存儲。通常情況下N2不與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，化學性質(zhì)穩(wěn)定，是工業(yè)上常用的惰性氣體，也是物理微發(fā)泡工藝常用的發(fā)泡氣體。在塑料粒子成型過程中，加入超臨界N2流體，該流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當溫度、壓強驟降時，會迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，在零部件內(nèi)部形成了大量“蜂窩狀”的微孔，從而達到減輕質(zhì)量的目的。

物理微發(fā)泡工藝需成型設(shè)備具有超臨界流體控制系統(tǒng)，可以控制氣體處于超臨界狀態(tài)，按照工藝要求進行配比。以注塑工藝為例，需對傳統(tǒng)注塑機的螺桿進行改造，可將超臨界流體與塑料粒子熔體進行充分攪拌以保證得到滿足設(shè)計要求的塑料零部件。因此，采用物理微發(fā)泡工藝前期設(shè)備投入資金較大，限制了該工藝在乘用車上的推廣應(yīng)用。

1.2 化學微發(fā)泡工藝原理

化學微發(fā)泡工藝利用NaHCO3、C2H4O2N4等作為發(fā)泡劑，其分解溫度低于塑料粒子的熔融溫度。不同于物理微發(fā)泡工藝需配備超臨界流體制備與流量控制系統(tǒng)，化學微發(fā)泡工藝可以將塑料粒子與化學發(fā)泡劑直接投入料斗中，通過原料預(yù)混、螺桿攪拌使2者充分混合（見圖1）。

圖2所示為化學微發(fā)泡成型過程微觀示意，在高溫、高壓條件下，化學發(fā)泡劑受熱分解產(chǎn)生的CO2、N2等氣體均勻擴散溶解在熔融的非金屬粒子中。當高溫、高壓的混合物從成型設(shè)備的噴嘴中噴出后，隨著外界溫度、壓強的驟降，氣體的溶解度大幅度降低，從過飽和的固溶體中形核析出。氣體微孔形核析出后，迅速長大、成型，穩(wěn)定之后零部件芯體分布著大量直徑為10～100 [μm]的微孔，零部件表面保持傳統(tǒng)工藝成型的致密層，形成如圖3所示的“致密皮層+發(fā)泡芯層+致密皮層”的三明治結(jié)構(gòu)，表面為傳統(tǒng)成型的致密層，保障了零部件的強度要求；內(nèi)部為發(fā)泡芯層，提高了零部件的抗沖擊性能，同時能降低聲波的傳播能力，最終得到滿足力學性能、表面質(zhì)量設(shè)計要求的零部件。

物理微發(fā)泡工藝通常使用可以從大氣中獲取的N2作為發(fā)泡氣體，生產(chǎn)過程中原材料的成本上升幅度小?；瘜W微發(fā)泡工藝需要在塑料粒子中加入化學發(fā)泡劑，成本約提高17%。化學微發(fā)泡工藝無需在現(xiàn)有成型設(shè)備基礎(chǔ)上新增其他設(shè)備，前期投入低，因此較物理微發(fā)泡工藝應(yīng)用的更為廣泛。能采用微發(fā)泡工藝成型的塑料材料有聚丙烯（Polypropylene， PP）、尼龍6（Polyamide 6， PA6）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Glycol Terephthalate， PET）+玻璃纖維等，以注塑件為例，微發(fā)泡成型零部件具有更高的比強度、比韌性、抗沖擊性能等優(yōu)勢，該工藝在乘用車輕量化領(lǐng)域，尤其是內(nèi)外飾零部件具有極大的應(yīng)用潛力。

2 微發(fā)泡工藝應(yīng)用情況

2.1 車身內(nèi)飾零部件應(yīng)用情況

塑料是車身廣泛應(yīng)用的材料，具有密度小、易于加工成型、成本低等優(yōu)良特性，隨著乘用車輕量化趨勢及微發(fā)泡工藝發(fā)展，其在車身零部件中具有更大的應(yīng)用空間。乘用車部分內(nèi)飾零部件可以利用微發(fā)泡工藝成型，例如儀表板骨架、門板護板、揚聲器面罩等非承重件零部件。

汽車內(nèi)飾護板、裝飾罩類零部件大多是由塑料粒子注塑加工成型，因此研究塑料粒子的發(fā)泡性能對減輕乘用車質(zhì)量非常重要。PP材料作為可工業(yè)化生產(chǎn)的密度最小的塑料，微發(fā)泡PP材料、玻璃纖維增強PP材料在乘用車上具有很大的應(yīng)用潛力，PP發(fā)泡材料的剛性優(yōu)于聚乙烯（Polyethylene，PE）、聚苯乙烯（Polystyrene，PS）發(fā)泡材料，綜合性能優(yōu)異。采用微發(fā)泡工藝成型，可使塑料零部件質(zhì)量減輕5%～20%，并具有良好的尺寸穩(wěn)定性，無需對模具進行反復(fù)修改。護板類零部件表面質(zhì)量要求高，經(jīng)過該工藝成型制品表面致密，后續(xù)可進行包覆、噴涂等表面處理工藝。具有“致密皮層+發(fā)泡芯層+致密皮層”的三明治結(jié)構(gòu)，零部件的降噪、抗沖擊性能優(yōu)異，整車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness， NVH）性能得以提高。以長安福特翼虎儀表板骨架為例，采用PP-GF20塑料粒子微發(fā)泡注塑工藝成型，質(zhì)量減輕10%，降低0.3 kg，注塑周期時間縮短8%，注塑件鎖模力降低25%。豐田威爾法空調(diào)風道采用PP/PE塑料粒子微發(fā)泡吹塑工藝成型，質(zhì)量減輕12%，吹塑周期時間縮短8%。

2.2 車身外飾零部件應(yīng)用情況

乘用車外飾零部件包含前后保險杠面罩、行李架、后視鏡等，通過螺接、卡接或者粘接等方式連接在白車身上，主要起到裝飾及保護作用。外飾是乘用車中應(yīng)用塑料材料最多的系統(tǒng)，常用材料包括PP、PE、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymers， ABS）、聚碳酸酯（Polycarbonate， PC）等。外飾零部件主要采用注塑工藝成型，表面進行非金屬噴涂處理，與白車身漆面顏色保持一致。外飾零部件長期經(jīng)受風吹日曬等戶外惡劣環(huán)境，并且在車輛發(fā)生碰撞時，起到吸收碰撞能量的作用。因此，整車對外飾零部件的抗沖擊性能、耐候性等提出了較高的要求，在碰撞時可以及時吸收沖擊的能量，防止長期裸露在戶外的零部件發(fā)生變形、老化。

微發(fā)泡材料具有良好的抗沖擊性能，緩沖、隔熱性能優(yōu)異，在相同質(zhì)量的情況下具有更高的抗彎強度，可應(yīng)用在保險杠面罩、發(fā)動機裝飾罩、底護板、機艙護板等乘用車外飾零部件中。以發(fā)動機裝飾罩為例，該零部件位于發(fā)動機艙內(nèi)，對零部件的耐高溫、外觀質(zhì)量以及輕量化等都具有較高要求。紅旗某車型發(fā)動機裝飾罩采用玻璃纖維增強PA6材料化學微發(fā)泡注塑工藝成型（見圖4）。加入玻璃纖維不僅可以增強零部件剛度，同時也可以提高其耐高溫性能。采用化學微發(fā)泡工藝成型，實現(xiàn)質(zhì)量減輕18%，注塑時間縮短15%。零部件表面質(zhì)量高，后續(xù)可進行非金屬噴涂表面處理，進一步提高該零部件的各項性能參數(shù)。馬自達J53R發(fā)動機裝飾罩采用PA6-GF30材料微發(fā)泡注塑成型，普通的發(fā)動機罩注塑質(zhì)量為945 g，微發(fā)泡的發(fā)動機罩質(zhì)量為895 g，實現(xiàn)質(zhì)量減輕5 %。表1為乘用車內(nèi)飾、外飾零部件采用微發(fā)泡工藝成型的應(yīng)用實例。

3 微發(fā)泡工藝的前景展望

3.1 研究進展

目前，微發(fā)泡工藝主要研究方向是通過調(diào)整基材、發(fā)泡劑、成核劑、增強材料等各組分的配比來提高發(fā)泡質(zhì)量和表面質(zhì)量，提高零部件的綜合力學性能。開發(fā)新型加工工藝、高性能發(fā)泡劑、成核劑等，降低成型過程中的加工成本、材料成本，減輕零部件質(zhì)量的同時達到管控成本的目的。汪理文等[8]在PP塑料粒子中添加自制的發(fā)泡母粒、成核劑、增韌劑等組分，通過調(diào)節(jié)各組分含量，制備出一種能實現(xiàn)輕量化的高強度微發(fā)泡PP復(fù)合材料。孫文博等[9]研究了微發(fā)泡工藝參數(shù)對制品質(zhì)量減輕幅度及發(fā)泡結(jié)構(gòu)的影響，并通過對比質(zhì)量減輕幅度制品的發(fā)泡結(jié)構(gòu)與力學性能，找出了制備具有理想發(fā)泡結(jié)構(gòu)的微發(fā)泡注塑工藝參數(shù)方案。結(jié)果表明，微發(fā)泡注塑工藝參數(shù)為注氣量0.2%、注射速率70 cm3/s、注射壓力70 MPa時，制品的發(fā)泡質(zhì)量和力學性能較好。史忠鶴等[10]采用數(shù)值模擬與仿真分析等方法研究了連續(xù)纖維增強聚丙烯復(fù)合泡沫材料嵌件式微發(fā)泡注塑成型過程。研究發(fā)現(xiàn)，有纖維布嵌件的泡沫制品發(fā)泡過程更徹底，發(fā)泡尺寸和發(fā)泡密度更均勻。翟玉嬌等[11]研究了冷卻時間與制品表面出現(xiàn)大氣泡概率之間的關(guān)系。結(jié)果如圖5所示，通過高壓短時注氣方式得到的制品表面出現(xiàn)大氣泡的概率較高，嚴重影響制品質(zhì)量；采用低壓長時注氣方式，制品表面出現(xiàn)大氣泡的概率顯著降低。

3.2 輕量化潛力

汽車輕量化既要減輕乘用車自身的質(zhì)量，又要保證零部件滿足乘用車行駛的安全性、NVH、舒適性等各項性能要求。傳統(tǒng)燃油車，整車質(zhì)量每減少100 kg，汽車行駛100 km可節(jié)省燃油0.3～0.6 L，減少CO2排放8～11 g；新能源汽車每減輕質(zhì)量100 kg，續(xù)駛里程可增加10 %～11 %，同時可降低20 %的電池成本和日常損耗成本[12]。采用微發(fā)泡注塑工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)注塑工藝，可同時達到降低成本和減輕質(zhì)量的目的。微發(fā)泡零部件相比傳統(tǒng)工藝成型零部件具有更高的比強度、比韌性、抗沖擊性能，可在不降低性能的前提下，減小零部件密度、縮短成型周期、減少材料用量，從而達到管控成本的目的。沈超等[13]制備了不同質(zhì)量減輕幅度的微發(fā)泡PP材料成型的汽車內(nèi)飾零部件，研究其力學性能。結(jié)果表明，樣件的彎曲強度和彎曲模量隨著質(zhì)量減輕幅度的增加先上升后下降，當質(zhì)量減輕幅度為4.3%時，彎曲強度和彎曲模量均達到極大值。劉松高等[14]研究了PP+長玻璃纖維（Long Glass Fiber， LGF）材料發(fā)泡率對乘用車前端模塊力學性能的影響，得出結(jié)論：發(fā)泡率為10%時，PP+LGF注塑樣件的均勻程度較好；增加玻璃纖維含量可以提升樣件的力學性能，并且當纖維方向為0°時，樣件的力學性能達到最優(yōu)。李丹等[15]通過MuCell注氣設(shè)備調(diào)節(jié)射膠量和進氣量，實現(xiàn)零部件微發(fā)泡倍率的調(diào)節(jié)，得出結(jié)論：發(fā)泡倍率越高，泡孔尺寸越大，質(zhì)量減輕越明顯，樣件的拉伸強度越低；當發(fā)泡倍率為3%時，樣件的平均拉伸強度僅降低4%。徐耀輝等[16]研究發(fā)現(xiàn)在微發(fā)泡注塑試驗過程中，隨著N2注氣量的增加，注塑發(fā)泡制品的質(zhì)量減輕幅度提高，抗沖擊性能下降。相比通用聚丙烯（General Polypropylene， PPH-T03），熔體強度更高的高熔體強度聚丙烯（High Melt Strength Polypropylene， HMS20Z）能承受更大的注氣量，在注氣量達到1%時仍可得到合格的制品，質(zhì)量減輕18.36%。

4 結(jié)束語

微發(fā)泡工藝按照發(fā)泡原理可分為物理微發(fā)泡工藝和化學微發(fā)泡工藝2類。物理微發(fā)泡工藝前期設(shè)備投入資金較大，限制了該工藝在乘用車上的推廣應(yīng)用。乘用車部分內(nèi)、外飾零部件可以利用微發(fā)泡工藝加工成型，例如儀表板骨架、門板護板、發(fā)動機裝飾罩等，主要為護板、裝飾罩等非承重零部件，整車對其強度性能要求不高。采用微發(fā)泡工藝成型，塑料零部件可實現(xiàn)質(zhì)量減輕5%～20%，并具有良好的尺寸穩(wěn)定性，無需對模具進行反復(fù)修改。

微發(fā)泡工藝目前研究方向主要聚焦于通過調(diào)整基材、發(fā)泡劑、成核劑、增強材料等各組分的配比來解決微發(fā)泡制品的發(fā)泡質(zhì)量和表面質(zhì)量的問題，提高零部件的綜合力學性能。開發(fā)新型加工工藝、高性能發(fā)泡劑、成核劑等，降低成型過程中的加工成本、材料成本，減輕零部件質(zhì)量的同時管控成本是未來微發(fā)泡工藝的發(fā)展方向。

參 考 文 獻

[1] 張振力， 鄧峰， 賈桐. 微發(fā)泡在汽車開發(fā)中的應(yīng)用研究[J]. 汽車與配件， 2019（3）： 50-51.

[2] 褚建忠， 陳丹. 超臨界微發(fā)泡模內(nèi)反壓成型對PP復(fù)合材料力學性能的影響[J]. 合成樹脂及塑料， 2022（4）： 39-42.

[3] 董成磊. 化學微發(fā)泡聚丙烯材料研究進展[C]//2022年中國家用電器技術(shù)大會. 寧波： 中國家用電器協(xié)會， 2023： 6.

[4] 龔維， 蔣團輝， 付海， 等. 微發(fā)泡聚合物動態(tài)發(fā)泡過程的研究進展[J]. 貴州師范大學學報（自然科學版）， 2021（3）： 1-7+36+126.

[5] 王素玉， 張美玲. 發(fā)泡用聚烯烴材料發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 石化技術(shù)， 2020， 27（10）： 108-110.

[6] 石貴初. 微發(fā)泡中空成型技術(shù)在汽車風管成型中的應(yīng)用[J]. 汽車工藝師， 2021（8）： 37-40.

[7] 鄧晶晶. 微發(fā)泡成型技術(shù)在發(fā)動機裝飾罩中的應(yīng)用[J]. 模具工業(yè)， 2020（11）： 66-68.

[8] 汪理文， 翁永華， 丁賢麟， 等. 汽車用微孔輕量聚丙烯微發(fā)泡材料的制備及性能研究[J]. 塑料工業(yè)， 2021， 49（1）： 154-158.

[9] 孫文博， 信春玲， 何亞東， 等. 玻璃纖維增強PBT微發(fā)泡工藝對其制品泡孔結(jié)構(gòu)的影響[J]. 中國塑料， 2022（5）： 1-7.

[10] 史忠鶴， 丁玉梅， 謝鵬程， 等. 纖維增強嵌件式微發(fā)泡注塑工藝參數(shù)優(yōu)化仿真[J]. 塑料， 2021（4）： 58-64.

[11] 翟玉嬌， 信春玲， 何亞東， 等. 微發(fā)泡注塑制品表面質(zhì)量的優(yōu)化研究[J]. 中國塑料， 2022（2）： 19-26.

[12] 王惠添， 殷莎， 陳正偉， 等. 微孔發(fā)泡注塑技術(shù)研究進展[J]. 中國塑料， 2021（10）： 154-165.

[13] 沈超， 朱能貴， 蔣團輝， 等. 質(zhì)量減輕幅度對PP微發(fā)泡汽車內(nèi)飾件力學性能影響[J]. 現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用， 2020， 32 （5）： 8-10.

[14] 劉松高， 曹勇， 王琛， 等. 汽車前端模塊微發(fā)泡注塑成型技術(shù)基礎(chǔ)研究[J]. 汽車工藝與材料， 2019（6）： 59-62+66.

[15] 李丹， 葉士兵. 微發(fā)泡玻纖增強PA6在汽車散熱器框架上的應(yīng)用[J]. 上海塑料， 2021 （6）： 57-61.

[16] 徐耀輝， 郭鵬， 侴白舸， 等. 高熔體強度聚丙烯注塑發(fā)泡能力評價[J]. 合成樹脂及塑料， 2021 （6）： 1-4.

（責任編輯 明慧）

【作者簡介】

王精武（1980—），男，中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，碩士，高級工程師，研究方向為乘用車新能源、智能座艙前沿技術(shù)。

E-mail：wangjingwu@faw.com.cn