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淺談工程塑料在汽車輕量化中的應用進展論文
隨著汽車工業的發展， 我國的汽車產量穩步增長， 汽車消費規模日趨龐大。據中國汽車工業協會發布數據顯示， 2008年我國產量達到934。51 萬輛， 汽車銷量達到938。05 萬輛。雖然目前全球經濟危機對各國的汽車產業帶來了嚴重影響，但國內汽車廠家積極應對， 加上政府政策的支持， 近兩月來中國的汽車銷量開始回升， 從整體趨勢上看， 我國的汽車工業仍將保持一個持續高速增長態勢。
在汽車及相關行業的進步帶來巨大機遇的同時， 汽車工業也面臨著巨大的挑戰。汽車及相關行業的發展對社會能源供給、環境保護等方面的影響日益明顯， 因此要承受的節能減排的壓力也日趨增大。汽車結構的輕量化和輕量化材料的使用等汽車輕量化技術， 可以有目的地減輕汽車自身的重量， 又能保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性， 同時滿足汽車本身的經濟性要求。
汽車輕量化已經成為汽車材料發展的主要方向， 節能和環保則是汽車行業的兩大課題。以塑料件代替各種昂貴的有色金屬及合金材料部件， 不僅能減輕車重， 降低燃油消耗和碳氫化合物排放， 還可提高動力， 適應惡劣環境， 增加安全性， 而且塑料可回收， 從而節約了制造過程中的資源消耗， 最終使汽車在安全和成本兩個方面獲得更多的突破。汽車造型更為美觀和設計更為靈活， 是降低零部件加工、裝配和維修費用的有效途徑。汽車用塑料的使用已經成為衡量汽車工業發展水平的標志之一。
工程塑料是電子信息、交通運輸、航空航天、機械制造業的上游產業， 在國民經濟中占據著重要的地位， 其發展不僅對國家支柱產業和現代高新技術產業起著支撐的作用， 同時也推進傳統產業改造和產品結構的調整。近年來， 隨著我國制造業的迅速發展， 工程塑料的應用領域日趨廣泛， 用量從2000年的39。4 萬t 上升到2007 年的182 萬t ， 其中汽車行業2007年消費的工程塑料占國內工程塑料市場消耗比例的11。89% 。工程塑料， 尤其是高性能工程塑料， 因其具有良好的機械性能、綜合力學性能， 而且耐熱性、耐酸、壽命長、可靠性好等特點而越來越廣泛地用于汽車工業， 其前景非常好，例如發動機上的一些零部件如調速閥、機動盤、氣流盤、水泵、輸油管、皮帶輪罩、冷卻風扇、油門踏板等已開始使用PA 、PPS 、PBT 等注塑或吹塑成型。
隨著汽車輕量化應用技術的進步， 工程塑料在汽車各部件上的應用將更為廣泛。下面通過汽車所用塑料的四個方面為例分析工程塑料在汽車輕量化發展上的重要作用。
1 工程塑料在汽車動力系統中的應用
早已作為汽車內飾件優先選用材料并不斷擴大應用作汽車外飾件材料， 現在又開始令人矚目的應用于制造汽車發動機室內的功能部件， 將來可能取代金屬制造汽車動力系統的幾乎每一種零件。現在， 轎車、箱式汽車（面包車）、小卡車上使用的塑料， 大約25%用于發動機室內， 除了很久已經改用塑料制造的翼子板內襯和蓄電池殼體外， 發動機和燃油系統有越來越多的金屬件改用塑料制造。
汽車發動機罩下（即發動機室內）進氣歧管是最有可能用工程塑料和熱固性塑料包括聚苯硫醚、尼龍、聚醚整體塑料（BM C）和酚醛塑料制造的部件。首先實行商業化生產的塑料進氣歧管， 是德國富呂登伯格公司用聚酯BMC 制造的歧管，其內表面十分光滑， 有助于空氣進入， 使得發動機效率比用金屬歧管高15 %， 歧管重量減輕1kg 。ICI 公司先進材料部采用專用級尼龍66 ， 用其制造的進氣歧管早在1990 年使用與大批量生產的汽車上。通用電氣公司塑料部與CMI 國際公司聯合研制供通用汽車公司和克萊斯勒公司使用塑料進氣歧管，采用玻璃增強的PPS 與尼龍和其他工程樹脂的合金。其他公司如拜耳公司赫斯特—塞拉尼斯公司、菲利浦公司的PPS ， 巴斯夫公司和杜邦公司的高性能尼龍， 也被機械制造廠家考慮用作制造進氣歧管的材料。
發動機氣缸蓋罩是汽車發動機室內最適合用工程塑料注塑制造的部件之一。許多公司都主要選用增強乙烯基酯和酚醛樹脂模塑的熱固性塑料結構， 因其耐熱性高， 防火安全性能好。不過有部分汽車設計師傾向于采用尼龍。
2 工程塑料在汽車照明技術中的應用
在車前大燈塑料應用方面， 考慮到大燈玻璃的透明性、耐熱性、耐沖擊性以及易于成型性， 多數采用表面涂覆硬膜的PC ， 從而進一步提高了耐擦傷性和耐候性。德國拜耳公司和美國GE 塑料公司合資的Exatec 公司推出了具有杰出的耐候性和耐磨性的聚碳酸酯（PC）汽車窗系統Ex atec500 ， 并已實現工業化。前大燈反射鏡殼一般用BMC（團狀模塑料）、PPS 、PC 、PBT 等制成。
后排指示組合燈， 其燈罩材料為PMM A， 燈殼為填充PP ，他們之間用熱熔膠粘劑粘接。隨著振動焊接技術的發展， 燈殼材料開始采用耐熱ABS。
世界領先的汽車車燈制造商法雷奧（Valeo）為該公司的自適應前燈系統選擇了杜邦公司的Zy tel HTN PPA 塑料產品。這種車燈系統在大眾帕薩特和雪鐵龍C4 等眾多車型上均有所應用。該系統可以給司機提供更為清晰的夜間視野，從而加強安全性。這種自適應前燈系統可以根據車輛的行駛速度和轉彎角度自動改變燈光的強度和方向， 從而使司機在夜間可以更清楚地看到道路彎曲的地方， 夜間照明燈光強度的增高大大減小了司機在道路彎曲處及十字路口的駕駛壓力和疲勞狀況， 這樣就提高了司機在各種天氣和路況下駕駛的舒適性。法雷奧設計的氙氣前燈適合中、高檔的駕駛速度， 在道路彎曲處它可以把司機的視野距離擴大1 倍。杜邦公司在開發熱塑性塑料方面走在世界的前列， 它開發的塑料可以用來代替金屬。隨著汽車制造商在追求更輕便的、燃油效率更高的汽車， 杜邦的高強度、耐高溫的樹脂產品可以用來代替汽車上的金屬部件。用來代替法雷奧車燈系統中金屬部件的高強度、耐高溫的Zytel H TN PPA 產品就是一個很好的例子。
工程塑料供應商So lvay 公司推出兩種用于高反射的汽車前燈的最佳材料。一種是聚砜UdelLTG—2000 品級， 使用溫度可達175℃ ， 它比大多數高溫PC 和PC/ PEI 合金更耐溫；一種是聚醚砜Radel LTG—3000 ， 特別適合用于205 ℃ 的高溫， 它比許多PEI 品級具有更高耐溫性， 耐沖擊性提高了50 %， 熔體流動速率也增加了33%。Lanx ess 公司推出兩種聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）品級：Pocan KU2—7003 和TP006—004 。它們可用于制造汽車前燈罩， 替代耐高溫熱塑性塑料如共聚碳酸酯和聚醚砜， 且在價格上更有優勢。兩種產品均具有優異的表面性能， 而且可以直接金屬化， 不需底漆預處理， 可以在160℃下使用。KU2—7003 已經用于雪鐵龍C2 和C3 汽車前燈。兩種品級加工時都不會釋放揮發性氣體， 積垢非常少， 這使金屬化的燈罩表面性能更好。兩種材料的流動性都好， 適合于制造大型和幾何形狀復雜的燈罩。此外， 另一種用于燈罩的脫模性更好的Pocan 也即將商品化。
3 工程塑料在汽車裝飾件的應用
汽車塑料件根據主要用途， 大體分為功能件和結構件兩種。而汽車的裝飾件大多為結構件， 工程塑料在汽車裝飾領域的應用范圍最廣。隨著塑料工業的發展， 各種新型樹脂的出現以及通過合金、共混、復合等改性手段得到各種高性能材料已經能夠滿足汽車行業對功能型塑料件和結構型塑料件及其應用材料提出的各種綜合性能指標要求， 塑料在汽車上的應用范圍和用量將不斷增加。主要的汽車塑料裝飾件一般分為內飾件和外飾件， 其中內飾件占整車塑料用量的56 % ，以往的汽車內飾件較多的工程塑料有ABS 、PUR 和塑料合金等。主要的汽車塑料內飾件有儀表板、內板、頂柵、門內手柄、裝飾條等。
目前使用的儀表板可分為硬質儀表板和軟質儀表板兩種。硬質的一般在輕、小型貨車上使用， 經一次注射而成。這種儀表板尺寸很大， 無蒙皮， 表面質量要求很高， 對材料要求耐濕、剛性。由于多點注塑成型， 易形成流痕和熔接痕， 一般表面需經涂裝才能使用。材料可用M PPO 、ABS 等。軟質儀表板由表皮、骨架材料、緩沖材料等組成。骨架材料的選用不同廠家有所不同， 有的采用硬紙板、木材， 有的采用PC/ ABS合金， 還有采用鋼板作骨架材料， 也有用ABS 、GFAS 等。表皮材料， 如桑塔納、捷達、富康轎車等采用PVC/ ABS 合金片材， 并帶皮紋， 以骨架為內模， 用真空吸塑法將表皮材料敷在骨架上， 形成一層既美觀又有良好手感的表面。
門內板的構造基本上類似于儀表板， 由骨架、發泡材料和表皮構成。以小紅旗轎車和奧迪轎車為例， 門內板的骨架部分由ABS 注塑而成， 再把襯有PU 發泡材料的滌綸表皮以真空成型的方法， 復合在骨架上形成一體。
頂棚由基材和表皮構成。基材要求輕量、高剛性、尺寸穩定、易成型等， 一般使用熱塑性聚氨酯發泡內材， PP 發泡片材， 玻璃纖維瓦楞紙， 蜂窩狀塑料帶等。P 表皮材料可用織物、無紡布、TPO、PVC 等。
門內手柄， 不僅是啟閉門的功能件， 而且也是裝飾件。一般以ABS 、改性PP 等材料制成。每扇門有上下2 根門檻飾件， 一般用ABS 經注射而成， 帶皮紋。
為提高乘坐的舒適感， 要求降低噪音。為此把消聲材料埋入到部件的襯里去， 如儀表板、地毯、發動機蓋板、行李箱等， 消聲材料有廢毛氈、發泡PU、玻璃纖維紙板等。由于車廂內外溫差而造成側窗玻璃模糊， 影響司機的視線， 側窗防霜器孔中可噴出冷熱氣體， 以消除側窗的模糊。桑塔納轎車的防霜器就是用PC/ ABS 制成。
汽車輕量化的關鍵在于汽車車身， 用塑料制作車身覆蓋件可以一次成型， 不需要進行后處理和機械加工， 可降低成本。塑料車身覆蓋件表面光滑、尺寸精確、質量穩定、NVH（噪聲、振動、沖擊）指標也比金屬覆蓋件小， 所以汽車中頂蓋、發動機罩、汽車保險杠、散熱器格柵、擋泥板、側防撞條、后導流板等大半都使用工程塑料配件。
汽車外飾件散熱器格柵是為了發動機冷卻而設置的開口部件， 位于車體最前面， 往往把汽車的銘牌鑲嵌其間， 是表現一輛轎車風格的重要零件。目前轎車上一般用ABS 或PC/ABS 合金， 經注塑成型制成。也有采用耐候性較好的ASA 材料， 注塑成型后， 表面可不經涂裝。最近已出現用聚酯彈性體做的格柵， 在表面濺射金屬鉻后使用。車外門把手一般用POM 制作， 電鍍件采用PC/ ABS 合金， 門鎖一般使用剛性好的POM ， 玻璃升降器的支承機構及手搖把材料為POM ， 雨刷件的桿可用PBT 或POM ：球碗用POM 車輪箍使用改性PA或PA/ PPO 再經表面鍍鉻。汽車底盤件大多承受較大的負荷， 不易塑料化。
目前塑料件僅限于汽車轉向制動、傳動懸掛系統中， 大部分用在需要耐磨的運動件上， 零件不大。但對材料要求具有高強度、耐磨擦性好， 多用改性POM 、PBT 等材料制造。此外， 汽車發動機、水箱、油箱、電路系統等都大量的用到塑料制件。
4 工程塑料在汽車安全化的應用
汽車的安全性能是汽車的一項重要生產指標， 在汽車安全化發展進程中， 工程塑料起著舉足輕重的作用。
目前， 國外中高檔轎車的保險杠已采用PC/PBT 合金制造， 因為此材料不僅機械性能高， 特別是沖擊強度比PP 制保險杠高出許多。如GE 公司的Xenoy—XT 適合于制作汽車保險杠。它不僅能承受碰撞， 保險杠與車體組裝后一起涂裝（以使保險杠與車體保持同一色澤）時， 能耐155 ℃/ 30min 的烘烤干燥。拜耳公司、巴斯夫公司也都有用于保險杠的品種。巴斯夫的Ultrable nd ， 不僅具有PBT 的耐化學藥品性、耐油性及流動性， 又具有PC 的低溫韌性， 耐熱性及高的機械性能（尤其突出的高抗沖擊性）， 已經大量用于制造保險杠。此外還有熱塑性彈性體TPE ， 它在常溫下具有橡膠特性， 在高溫下能塑化成型， 用通用的塑料機械可以加工成各種零件。
燃油箱是汽車中重要的安全部件之一， 有單層或多層復合結構， 要求其材質具有耐寒、耐熱、耐蠕變、耐應力開裂、耐老化、耐溶劑和耐化學藥品腐蝕等性能， 以適應抗沖擊、抗滲漏、阻燃、防爆等方面的要求。
塑料功能件主要指發動機部件及其罩下燃油進氣系統和電器系統。雖然用塑料制作的發動機部件比金屬部件成本低、質量輕、噪聲小， 但是要求塑料件必須能夠耐175℃ 的高溫、剛性高、尺寸穩定性好、耐腐蝕。因此， 發動機部件使用的塑料主要是尼龍66、PPS 、聚酯等。目前， Ro ger s 公司用玻纖增強酚醛塑料制成了發動機氣缸和油盤；BMW 公司的六缸和四缸新型發動機使用了全塑料進氣裝置；Mann&Hummel 公司使用35%的玻纖增強尼龍制造進氣裝置。
汽車塑料燃油箱的發展起步于歐洲， 所以目前歐洲的制造商INERGY 和KAUTEX TEXT RON 公司一直是處于世界塑料燃油箱的領導者地位， 并且市場占有率超過50 %。隨著汽車塑料燃油箱在北美和日本汽車市場的蓬勃發展， 當地市場起步并發展了一批知名塑料燃油箱的OEM — 如TI AUTOMOTIVE， VIS TEON ， ABC ， 日本YACH IYO 和FTS 公司等。2005 年， 全球乘用車產量大約在6200 萬輛， 塑料燃油箱的市場占有率約為68%， 銷量為4200 萬只， 塑料燃油箱在世界范圍的市場占有率：歐洲和北美市場處于領先地位， 2005 年歐洲市場占有率達到95 %， 在北美市場占有率達到了80 %，而亞洲市場占有率僅有26 % 。
汽車安全氣囊系統除了傳感器、微處理器、氣體發生器和氣囊等重要部件外， 氣囊蓋板也是十分重要的一個部件。熱塑性彈性體是汽車安全氣囊蓋的主要使用材料。作為安全氣囊蓋板的熱塑性彈性體主要有聚烯烴共混型熱塑性彈性體（TPO、TPV）、聚氨酯型熱塑性彈性體（TPU）、聚酯型熱塑性彈性體（TPEE）。不同的級別車型， 用不同的安全氣囊系統配置。從低檔車的只配主駕氣囊到高檔車的多個氣囊甚至十幾個氣囊， 每臺車氣囊蓋板材料的使用差別很大。由于TPEE兼具橡膠的柔軟性、彈性和熱塑性塑料的剛性、易加工性， 而且同其他熱塑性彈性體相比， 耐熱性最高， 所以在汽車領域得到普遍應用， 作為安全氣囊蓋板材料顯示出獨特的優越性。但近幾年來TPO 技術的突破性發展， 以其較高性價比的優點使其在汽車安全氣囊蓋板中的使用越來越廣泛。
5 工程塑料在汽車中應用前景展望
現代塑料技術的發展已使得塑料成為汽車的主要材料，工程塑料固有的特性賦予汽車輕量化、減低燃油消耗等益處，促進汽車工業的發展。
根據愛爾蘭市場研究公司最新發布的報告稱， 過去10 年中國汽車塑料需求呈較快速增長， 預計未來5 年， 中國汽車塑料生產和需求還將保持較高增幅繼續增長。中國汽車工業飛速壯大也激活了汽車塑料的需求不斷增長， 預計2009 年國內產量將達到504430t ， 平均年增幅為18 。1 % 。由于國內產量仍然不能滿足需求的快速增加， 今后幾年中國還將進口大量的汽車塑料， 2004 年中國汽車塑料進口量為482400t， 預計2009 年進口量將達到951260t 。工程塑料及其合金等材料在我國汽車工業中的應用前景將更為廣闊。
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