塑料復合材料在汽車車門中柱飾板的應用

鄭娟 張亮

（泛亞汽車技術中心有限公司）

汽車產量的持續攀升，汽車保有量的增加，對人類社會產生深刻的影響，同時對能源也產生了三大問題——燃油消耗、排放和安全。減少燃油消耗和降低排放的有效途徑是減少汽車的自重，亦即汽車輕量化。大量的實驗結果表明:乘用車自重每減輕10%，油耗將下降6%～8%；汽車每減少100 kg，100 km 油耗可降低0.3～0.6 L；若滾動阻力減少10%，燃油效率可提高3%；若車橋、變速器等機構的傳動效率提高10%，燃油效率可提高7%[1]。相關系統實驗表明:在符合歐IV 標準排放下，汽車自重和油耗亦呈線性關系[2]。由此可見，伴隨輕量化而來的突出優點就是油耗顯著降低。空載情況下，約70%的油耗用在車身質量上，因此輕量化對減輕汽車自重，提高整車燃料經濟性至關重要[1]。

1 傳統車門中柱飾板材料的優缺點

鋼材作為汽車的主要原材料，在汽車設計制造中廣泛應用。作為車門中柱重要的結構件及裝飾件，長期以來，以歐美車企為代表生產的汽車，車門中柱飾板均采用鋼材，用鋼材做出的飾板有許多優點，即強度高、抗拉和抗沖擊性能強、不易變形及耐燃性強等。但鋼材的屬性又決定著它的許多缺點，中柱飾板的斷面復雜，鋼性飾板的模具設計及制造相對復雜，模具費用高；因成型性能的限制，飾板的造型不能過于復雜；鋼材的重量相對其它材料較重；鋼材耐腐蝕性差，需要做額外的防腐處理，增加了整車的物料成本。

為減輕鋼材中柱飾板的質量，鋁合金材料也曾被用來替代鋼材，相對鋼材，鋁材的體積質量較輕，成型性能更優，可制作出相對復雜的結構，從理論上來說是能起到輕量化的作用，但是鋁材相對較軟，同樣厚度的鋁材不能達到與鋼材一樣的機械性能，因此需要對設計進行優化，增加飾板的厚度，如此一來，零件的質量并不能減輕。

2 復合材料中柱飾板的優缺點

目前用于汽車輕量化的材料有許多，而塑料因其具有質輕、性能優良、耐腐蝕和易成型加工等優點，使其在汽車材料中的應用比例不斷增加。

1）質量輕、密度低。以ABS 或PC 塑料為例，其質量密度僅為鋼的14%，以塑料代替鋼材料時，不論以彎曲剛度，還是以彎曲強度作為汽車構件的性能判據，采用塑料都有明顯的減重效果。

2）加工性能好。塑料和塑料復合材料的加工性能好，精加工成本低，可用多種加工方法成型，如注塑、復塑、噴射、樹脂傳遞模塑（RTM）及反應噴射模塑（RIM）等。選定成型方法后，加工產品及纏繞精度高，生產效率高，降低了制造成本。

3）塑料尤其是塑料復合材料的可設計性強，手感好，很適合作為車輛各種內外飾件。

4）容易實現零部件的一體化。大大減少一些部件或總成的零件量，減少部件的加工工序，降低部件成本，并可提升部件的性能，這種性能使得復合材料制作復雜件時，其成本可以和鋼鐵材料競爭。

5）耐沖擊具有較高的撞吸能，同時塑料或復合材料的制品具有一定的粘彈性，不僅撞擊吸能高，而且撞擊時不會發生碎裂，也增加了一些安全因素。塑料還可有效的減少振動，提高舒適性。

6）優良的抗蝕性。作為外覆蓋件可以延長使用壽命和增加車輛的美觀。

7）汽車塑料零件生產的投資少，見效快；塑料的不足在于耐熱性不足，強度偏低，耐疲勞性差，熱固性塑料的再生性差，在低溫寒帶使用時脆性增加，目前正通過纖維增強和改性克服這些不足。

3 塑料復合材料在汽車車門中柱飾板上的應用方案解析

中柱飾板在車身結構中的作用并非起安全作用，一般起兩種作用，一為裝飾件，如圖1所示，將車門或者車身的焊接處遮擋住，對于這一類的飾板，由于其僅作裝飾，對于車門結構所起的功能作用微乎其微，因此對材料的耐久性要求相對不是特別高，選擇范圍較廣。而有一些車門需要中柱飾板同時起到玻璃升降導軌的作用，如圖2所示。對于此類飾板，因其承擔重要的功能結構作用，對于材料的選用需要綜合考慮，其中較重要的指標是要有高強度及耐久性，以起到功能飾板在車門中的結構作用。針對不同檔次的汽車，車門中柱飾板有兩種表面光澤效果可供選擇，其中光澤度小于30 的為低光配置，光澤度大于80 的為高光配置。

3.1 低光表面配置中柱飾板方案

工程塑料 ASA (Acrylonitrile Styrene Acrylate Copolymer)是丙烯酸酯類橡膠體與丙烯腈、苯乙烯的接枝共聚物。

1）ASA 具有良好的機械物理性能。ASA 和 ABS 的結構相似，由丙烯腈和丁二烯橡膠組成，其保留了ABS作為工程塑料所具有的極佳的機械物理性能。

2）ASA 具有很強的耐候性。高分子聚合物中若含有雙鍵，則雙鍵容易被能量強度較大的太陽光中的紫外線所打開，由此造成高分子聚合物的耐老化性能下降，而ASA 正是用不含不飽和雙鍵的丙烯酸橡膠替代了ABS 中含有不飽和雙鍵的丁二烯橡膠，因此，不但可抵抗紫外線照射引起的降解、老化、褪色，同時對大氣中氧化加工過程中的高溫引起的分解或變色有了堅強保障，極大地提升了材料的抗老化性及耐侯性。根據測試結果，ASA 的抗老化性能是ABS 的10 倍以上。

3）ASA 具有比較好的耐高溫性能。

4）ASA 是一種防靜電材料，能使表面少積灰塵。

ASA 在持續長時間的風蝕后，也不會像經特殊處理的耐老化的ABS 那樣漸成灰色（由于風蝕或水流造成表面許多顯微裂縫和氣蝕）。ASA 的典型應用是外飾板、外視鏡、散熱器格柵、尾部擋板、燈罩等承受日曬、雨淋和強風吹等惡劣條件下的外部部件。目前，逐步延伸到了摩托車面板、野營汽車、小型船殼、沖浪板等領域。

但因為其材料的特殊性，無法取得表面高光效果，因此，采用ASA 材料作為中柱飾板，并在表面采用皮紋處理，對于不需要高光效果的中低檔車型是個高性價比的選擇，對于裝飾類和功能類均可采用這種材料。目前主流廠家，如通用、大眾、豐田等許多車型上都有應用。

3.2 裝飾類高光中柱飾板方案

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），俗稱有機玻璃，是迄今為止合成透明材料中質地最優異、價格又比較適宜的品種。PMMA 樹脂是綠色無毒環保的材料，除汽車零件外，還可用于生產餐具、衛生潔具等。它的優點主要包括:優異的透光性能（92%），良好的耐候性，表面硬度高，亮度高，無固有顏色，易于著色，并且具有良好的化學穩定性。此外，PMMA 可簡單熱降解，100%可回收，易于環保。PMMA 可達到高光鋼琴漆效果，目前在全球一些整車廠把它作為立柱飾板的材料，但由于PMMA 表面硬度不高、易擦毛、抗沖擊性能低、成型流動性能差等缺點，PMMA 的改性相繼出現，但是改性后的原材料價格也上漲了許多，相對于鋼材，還需要付出更多的成本。

從目前采用PMMA 作為外飾板的車型分析來看，單純使用PMMA 作為飾板有其弊端。

1）脆性大，極易發生脆裂。某些品牌在售車型上設計了帶集成導軌作用的純PMMA 中柱飾板，售后數據反饋出多起飾板破裂的售后報怨，因此，純PMMA 中柱飾板僅推薦在裝飾類飾板中使用。

2）耐刮擦性差，極易擦毛。在對PMMA 制成的飾板零件進行模擬洗車房洗車耐磨試驗之后，零件表面的光澤度的損失多達90%，如圖3所示。但在經過拋光處理后，光澤度可改善至原始零件的90%以上。由此可見，PMMA 的可修復性能還是有保障的。

3.3 功能類高光中柱飾板方案

3.3.1 雙色注塑方案

PMMA 材料脆性大，極易發生脆裂，不可在功能類中柱飾板中直接應用，選擇在此材料的基礎上增加一層擁有高性能的復合材料作為基底，是一個比較合適的方案。

塑膠原料樹脂ABS 是一種強度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料結構。ABS 樹脂是目前產量最大，應用最廣泛的聚合物，它將丙烯腈、1，3- 丁二烯、苯乙烯的各種性能有機地統一起來，兼具韌、硬、剛相均衡的優良力學性能。ABS 工程塑料具有優良的綜合性能，有極好的抗沖擊強度，尺寸穩定性好，電性能、耐磨性、抗化學藥品性、染色性、成型加工和機械加工較好。

ABS 樹脂可以在-25～60 ℃的環境下表現正常，而且有很好的成型性，加工出的產品表面光潔，易于染色和電鍍。針對PMMA 脆性大，硬度不高，抗沖擊性能低等缺點，采用ABS 作為基底，再進行PMMA 二次注塑，為中柱飾板提供了設計優化，很大程度地改善了純PMMA 飾板的弱點，尤其是帶有玻璃升降導軌功能的中柱飾板，如不采用ABS 作為基材，發生PMMA 破裂問題的概率非常高。

雙色注塑這種工藝易于換顏色而可以不用噴涂，但造價昂貴，技術要求高。兩種塑膠材料在同一臺注塑機上注塑，分2 次成型，但是產品只出模一次，通常由一套模具完成，且需要專門的雙色注塑機。此外，由于不同材料的樹脂收縮率存在差異，從而影響結合面結合強度，很容易造成產品的翹曲變形，雙色成型過程比較難以控制，利用三維模流分析技術進行分析，可以找到其中問題點，對產品或模具進行優化，以最快、最省的方式解決問題。

雙色中柱飾板在通常的情況下，很容易出現反凹的缺陷，如圖4所示的三維模流分析報告中，產品兩側上翹較多，中間上翹較少，導致產品表面會出現反凹的缺陷，為避免此類缺陷，建議在產品設計時增加一定量的弧度。此分析報告還顯示，在產品尾部區出現了1.9 mm的下沉，建議在模具設計時預設1 mm 以上的向上預變形量。

3.3.2 單色注塑方案

除PMMA 材料可做出高光表面效果，PC 材料也是一種可供選用的方案。

PC 是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根據酯基的結構可分為脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多種類型。其中由于脂肪族和脂肪族-芳香族聚碳酸酯的機械性能較低，從而限制了其在工程塑料方面的應用。目前僅有芳香族聚碳酸酯獲得了工業化生產。由于聚碳酸酯結構上的特殊性，現已成為五大工程塑料中增長速度最快的通用工程塑料。

PC 主要有以下物理性能:

1）耐熱性強，熱變形溫度:135 ℃，低溫-45 ℃；

2）機械性能較低；

3）耐沖擊性能好；

4）光學性好，折射率高；

5）加工性能好；

6）阻燃性好，不需要添加劑就具有UL94 V-0 級阻燃性能；

7）耐磨性差，一些用于易磨損用途的PC 器件需要對表面進行特殊處理。

PC 主要有以下化學性能:

1）耐弱酸，耐弱堿，耐中性油；

2）不耐強酸，不耐強堿，改性可以耐酸、耐堿；

3）不耐紫外線光，長期暴露于紫外線中會發黃；

4）較好的耐水解性，但不能用于重復經受高壓蒸氣的制品；

5）容易受某些有機溶劑的浸濁。

為了維持PC 材料的性能，并同時改善PC 材料的不足，考慮到PC 在注塑時通過添加色母而達到不同的顏色要求（通常飾板為黑色），必須在PC 表面用透明涂層或者油漆，以達到中柱飾板作為外觀功能件的質量要求及耐久要求。在眾多涂層及油漆中，hard coating（硬涂層）性能最佳，它是一種有機硅樹脂或改性樹脂的透明薄層（一般4～8 μm），通常以溶劑中的液體形式工作，在130 ℃下固化或在紫外線照射下固化變硬。硬涂層不僅增強了塑料材料耐刮傷和耐化學的性能，而且給PC 帶來耐候保護，同時更增強了PC 的耐沖擊性及熱穩定性。試驗數據表明，PC 材料在噴涂了硬涂層之后進行洗車耐磨試驗，表面的光澤度的損失僅在5%以內，而油漆的光澤損失度為20%左右。

4 結語

汽車輕量化是目前汽車工業發展中所要解決的油耗、排放和安全三大問題的有力手段。尋找安全有效的輕量化方案是各個整車廠關注的重點。塑料復合材料在車門中柱飾板中的應用可以有效地降低中柱飾板的重量，從而達到輕量化的目的。