面对汽车材料的高要求 塑料产业如何应对?

基于材料对社会发展的作用，人们已经把信息、能源和材料技术并列为现代文明和生活的三大支柱，其中，材料又是能源和信息技术的基础。衡量一个国家的科技水平，往往也体现在材料技术的先进与否。汽车制造业作为全球最大的产业，被社会各界称之为“高新科学技术试验场”，在这场材料技术进步中将会当仁不让地继续扮演重要角色。

新材料技术研发必须解决以下问题，才有可能推动在汽车上的应用：一是可回收再利用性。汽车上大约有1/4的材料无法回收和再利用，其中：橡胶占1/3、塑料占1/3、玻璃及纤维合占1/3；无法满足与循环经济和环保的要求。

二是减少材料的种类。目前汽车上使用的材料（尤其是由高分子材料组成的塑料）高达几十种，材料生产工艺不同，通用性较差，不利于回收和循环再利用。

三是低成本。制约汽车上使用新材料的重要因素就是成本，降低成本才是获得在汽车制造业通往量产的必然趋势。

四是缩短制作周期，提高生产效率。新材料，如主要用于车身较大面积的覆盖板的高性能工程塑料、玻璃纤维增强材料和碳纤维增强材料的加工工艺相对复杂，加工周期比较长。这也同样是影响和制约汽车制造业采用这些新材料的重要因素。

可实现轻量化的材料

汽车轻量化是指在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能地减轻汽车的整备质量，以此来改善燃油经济性，同时减少废气排放的污染。可以实现轻量化的材料种类非常多，金属材料有高强度钢板、新型铸铁工艺、合金材料（铝、钛、镁及稀土金属等）、粉末冶金材料等；非金属材料则有工程塑料、碳/玻璃纤维复合材料、铝基复合材料、蜂窝夹层材料、橡胶材料等，其中，工程塑料在汽车上的应用最为广泛。

从全球看，工程塑料正在向高性能、低成本及绿色化方向发展。技术突破多以材料的高性能化、多功能化、智能化为目标，从而降低生产成本、延长使用寿命，提高产品的附加值和市场竞争力。汽车是工程塑料应用较多的领域，大概占14%左右。用工程塑料代替各种昂贵金属材料在汽车上广泛应用，可大幅度地降低车辆装备质量，同时还提高了汽车设计的灵活性和造型的美观性，降低了零部件加工、装配过程的费用。

据长城汽车汽车材料工程研究院宋艳岭介绍，目前，非金属材料占车身总重约30%~35%左右，共计约350~400Kg；其中，塑料材料130~150Kg，弹性体材料50~70Kg。而且，随着车型档次提高，工程塑料应用增加。如：ABS及其合金和改性PP材料主要应用于内外饰零部件，随车型价位增加，ABS及其合金应用比例逐渐增加；PA材料主要应用于动力、底盘零部件及结构件，约占整车塑料的20%，对聚酰胺而言，汽车工业是最大的消费市场。；其他类塑料材料（聚酯类、POM、PC等）主要应用于电子电器零部件及结构件，约占整车塑料的15%左右。

工程塑料在汽车的具体应用案例也不胜枚举。如荷兰皇家帝斯曼集团帝斯曼AkulonUltraflow聚醯胺6注塑生产的发动机油底壳显著减轻汽车重量。标致508将是首个受益于帝斯曼创新解决方案的车型。新型塑料油底壳比原先使用的金属油底壳轻60%。新型油底壳选用了AkulonUltraflowK-FHG7品级，一款35%玻纤加强聚醯胺6材料，该材料具有很高的流动性和热稳定性。

欧洲一家整车厂商正将来自赢创的VESTAMID?HTplus聚邻苯二甲酰胺（PPA）材料应用于变速杆零件的批量生产。传统的变速杆组件是由金属制成的。PPA对离合器系统中通常使用的润滑剂和汽油具有防滑特性，除具有较高的耐化学性，由制成的模件还具有极高的尺寸稳定性和卓越的机械性能，如硬度和拉伸强度。

塞拉尼斯公司的高性能Fortron聚苯硫醚塑料（PPS）正被用于大陆集团研发生产的协助安全驾驶的平视显示器，该塑料坚硬且耐高温，具有极小的容许误差，能实现各种组件的精确尺寸。

另一方面，汽车新技术的发展也推出工程塑料的发展。如近年汽车发动机小型化的趋势使得发动机周边材料对耐温性的要求更高，推动了高耐温工程塑料的研发热潮。

朗盛公司在K2013上推出两种Durethan聚酰胺系列的热稳定体系，即XTS1和XTS2，主要特点是将这些高性能热塑性塑料的连续使用温度提高60℃以上。首款XTS1材料牌号是聚酰胺6DurethanBKV30TS1，其长期工作温度高达200℃。该材料在发动机室中的可能应用场合包括导风管、进气管，以及承受高热应力的其他车身附件。XTS2系列产品的长期工作温度甚至高达230℃。

材料科学正在向复合材料的方向发展，通过一定的技术手段和工艺把不同种类和性能的材料复合在一起，取长补短，扬长避短，有可能会获得比单一材料性能更强的复合体材料，如玻纤/碳纤塑料等复合材料的应用，在汽车领域也不例外。

巴斯夫公司也朝复合材料方向迈出了第一步—Ultracom，这一广泛融合的产品与服务组合的创新在于连续纤维增强半成品层压板，再加上巴斯夫聚酰胺（Ultramid）产品系列中的包胶注塑改性材料，以及一个面向部件生产的完整开发与服务平台。巴斯夫通过Ultracom这一产品包进入汽车复合材料的半成品零部件市场。重点应用在以复合材料制成的车身和底盘部件，与钢材相比，最高可实现减重60%。

巴斯夫预期，如果发展良好，到2025至2030年，复合材料元件的市场规模将达到约20亿欧元。为了积极参与并促进市场的形成，巴斯夫计划在未来三年内，在热塑性和热固性复合材料领域投入数千万欧元用于研发。

电动汽车的出现也对车用材料提出了新诉求。从整车设计的思路出发，电动汽车设计应该重新考虑车辆的重心，载荷的分布，动力电源和驱动装置的位置，而几年前我所提出的汽车设计减量化的概念现在可以得到具体的体现。

事实上，塑料替代金属除了轻量化之外，还可以降低汽车传动件之间的摩擦力，特别是与金属（铝、铜）的表面摩擦，即能降低摩擦系数，又能提高密封性。实现更好的耐磨性；同时改进设计的柔韧性和零部件集成度；提高安全性、舒适性和燃油效率以及更好的密封隔噪效果。有数据显示：几乎70%的设备损坏是因各种形式的磨损造成的。而汽车摩擦损耗占整个车体能量损耗的48%左右。因此，塑料为汽车带来的好处，远远不只是单纯的轻量化。

减量化从设计开始

减量化必须要从结构方面考虑，它是一种革命性的设计手段，本着功能集中的设计原则，减小体积和外部尺寸，使结构更加紧凑；尽可能的减少零部件的数量，同样是以不牺牲车辆性能为前提。

现代汽车大量采用新型材料，传统的车身结构及其设计方法不再适用。采用形状优化设计法设计的车型零件数已可以从400个减少到少于100个，质量减轻25~30%，最多可使装备质量降低500kg，可看出这种设计方法的巨大潜力。采用先进加工技术和先进工艺，实现零部件一体化、加工技术复合化、多种材料一体化。

汽车是一个复杂的机械产品，由功能各不相同的几个基础部分、几千个零部件组成，使用的材料种类也高达上百种，需要汽车零部件制造商、材料制造商共同协调和参与。