聚碳酸酯在汽車玻璃窗上的應(yīng)用研究

楊斌 梁志

眾泰汽車工程研究院 浙江省杭州市 310018

1 引言

伴隨著聚碳酸酯的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，國外許多車型已經(jīng)采用聚碳酸酯替代了傳統(tǒng)鋼化玻璃廣泛應(yīng)用于汽車車窗上，聚碳酸酯在其材料自身性能優(yōu)秀的基礎(chǔ)上還擁有傳統(tǒng)玻璃無法比擬的輕便性，并擁有高自由度的設(shè)計性，從而成為了汽車玻璃窗的理想材料。

2 聚碳酸酯的性能分析及車窗應(yīng)用部位

聚碳酸酯（PC）是一種強韌的熱塑性樹脂，由于PC自身的高機械性能，從而成為應(yīng)用最廣泛的通用工程塑料。聚碳酸酯具有高強度及彈性系數(shù)、高沖擊強度、使用溫度范圍廣的優(yōu)點，且具有高度透明性的特性，成型性強且安裝簡單，成形后收縮率低，無味無臭對人體無害。從而使得聚碳酸酯的廣泛應(yīng)用得到了性能保障。

作為聚碳酸酯在玻璃窗上的應(yīng)用，由于我國對于聚碳酸酯的應(yīng)用開始較晚，國內(nèi)暫時缺少相應(yīng)的法律法規(guī)，因此我們可以參考國外相關(guān)法規(guī)規(guī)定，基于對車內(nèi)人員人身安全的考量，為了在事故發(fā)生時便于逃生，聚碳酸酯材料不能用于前風(fēng)擋玻璃窗和前排側(cè)窗，卻對后排側(cè)窗沒有進(jìn)行禁止。也就意味著，在汽車的后排車窗也可以合理的安排聚碳酸酯材料的應(yīng)用。由于日本國內(nèi)改訂了汽車保安基準(zhǔn)，開放了汽車前擋風(fēng)玻璃的材料準(zhǔn)則，要求車窗達(dá)到與玻璃同等耐磨耗性的基礎(chǔ)上，可以采用PC樹脂材料。這也就意味著聚碳酸酯在未來將擁有更多的發(fā)展空間，伴隨著對聚碳酸酯的進(jìn)一步開發(fā)，用聚碳酸酯替代汽車原本的金屬車頂也是未來發(fā)展的方向。

3 聚碳酸酯在汽車玻璃中的商業(yè)化價值

3.1 高安全性

作為汽車玻璃窗上的應(yīng)用，聚碳酸酯的安全性考量應(yīng)該放在首位。聚碳酸酯材料自身具有高強度、高彈性系數(shù)及高沖擊強度的特點。根據(jù)撞擊試驗表明：厚度為3.2mm的自身帶有缺口的艾氏沖擊實驗片，在常溫條件下具有高達(dá)780～790 J/m的抗沖擊強度，自身破碎斷裂為延性斷裂。也就意味著，當(dāng)危險情況出現(xiàn)時，聚碳酸酯玻璃窗在破碎后不會產(chǎn)生尖銳的裂口，從而減少傳統(tǒng)鋼化玻璃破損時對人體可能造成的傷害。通過對聚碳酸酯的撞擊實驗，表明聚碳酸酯玻璃的抗沖擊性為無機玻璃跟有機玻璃的15倍以上。許多防彈轎車，車窗玻璃在采用了多層聚碳酸酯的復(fù)合材料后，可以充分滿足自身的防彈需求。

3.2 汽車輕量化

為了汽車設(shè)計美觀跟乘車人的視野考量，汽車車窗需要有更大的開放面積，也就意味著傳統(tǒng)玻璃車窗將給車輛更大的負(fù)荷。聚碳酸酯的密度僅為1.3g/cm3遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無機玻璃的2.5g/cm3，，這也就意味著，同等大小的車窗面積，聚碳酸酯的重量比無機玻璃減重50%。在減重的基礎(chǔ)上，聚碳酸酯比傳統(tǒng)無機玻璃具有更良好的隔熱性能，同等厚度的情況下熱損失同比減少40%-60%，也就是在降低了汽車能耗的同時，還減少了用于車內(nèi)溫度調(diào)控的附加能耗。

采光度作為汽車玻璃運用的重要指標(biāo)，使玻璃材質(zhì)的基本特性。聚碳酸酯擁有n=1.5869的材料反射率，通過光線反射率計算可知聚碳酸酯材料的光線反射率R=5.1%，也就意味著光線在穿透聚碳酸酯材料時將會產(chǎn)生更小的損耗。因此聚碳酸酯比傳統(tǒng)玻璃具有更優(yōu)秀的透光度，滿足了汽車玻璃對透光度的要求。作為車燈罩使用時，聚碳酸酯材料還具有光畸變小的特點，使得車燈的照明強度和照明范圍對比無機玻璃材料都有了不錯的提升。

3.3 高自由度的設(shè)計

碳酸聚酯比傳統(tǒng)玻璃具有更大的造型設(shè)計自由度，與傳統(tǒng)玻璃相比，碳酸聚酯可以滿足設(shè)計者不同的設(shè)計需求，甚至可以完成一些更具有藝術(shù)性跟創(chuàng)新性的設(shè)計，在美觀的同時也提高了汽車的安全性。

在汽車制造中，傳統(tǒng)的玻璃制造頭燈在工藝技術(shù)上存在一定的困難。但是聚碳酸酯的應(yīng)用，其自身易成型加工的特性，很好的解決了這一難題，可以將車燈頭部、連接片、燈體等全部模塑在透鏡中，從而方便快捷的完成車頭燈的制造加工。

由于日本國內(nèi)改訂了汽車保安基準(zhǔn)，開放了汽車前擋風(fēng)玻璃的材料準(zhǔn)則，要求車窗達(dá)到與玻璃同等耐磨耗性的基礎(chǔ)上，可以采用PC樹脂材料。GLM株式會社的EV跑車“TommykairaZZ”使用了由帝人開發(fā)的聚碳酸酯樹脂無支柱的前擋風(fēng)玻璃，A柱的去處在個性張揚的同時，將駕駛員的視野提高了兩倍以上，給人以全新的視覺效果。

4 聚碳酸酯在實際應(yīng)用中存在的問題

4.1 成本較高

聚碳酸酯樹脂材料來源于石油，伴隨著石油價格的不斷提高，聚碳酸酯樹脂的價格也居高不下，遠(yuǎn)高于玻璃。與此同時聚碳酸酯的樹脂玻璃窗仍然是相對小眾化的產(chǎn)品，工業(yè)化程度相對較低，開發(fā)成本比較高，高成本的原材料，并且還需要相關(guān)的模具，因而在車窗的材質(zhì)選擇上許多中低檔車更多的選擇價格相對便宜的無機玻璃材料。

就成本來說在增加聚碳酸酯的應(yīng)用推廣以提高聚碳酸酯的需求，從而代工聚碳酸酯的工業(yè)化程度，另一方面由于聚碳酸酯就要大量的模具損耗，因此可以在模具管理中降低成本。降低模具成本的方法一般有兩種：一種是采用鋁制模具的使用，先采用CNC設(shè)備進(jìn)行粗加工，然后再進(jìn)行精拋，最后用鍍硬鉻技術(shù)進(jìn)行表面處理，鋁制模具比鋼制模具加工速度更快，且擁有更低的制造成本。另一種是采用軟鋼模具進(jìn)行加工，該方法不用拋光，成本略高于鋁制模具，但比傳統(tǒng)模具更低。伴隨著模具價格的降低跟聚碳酸酯的推廣應(yīng)用，原材料的價格也會隨著有降低的趨勢，伴隨著多方的改善，從而降低成本。

4.2 耐候及耐磨損

聚碳酸酯樹脂材料的抗磨損較差，由于汽車的特性，需要長期暴露在室外。聚碳酸酯的材料在長期暴露后極易變黃，尤其是車窗玻璃。由于車窗玻璃的高透明性的自身特性，使得其對劃痕與磨損更加敏感，在影響外觀的同時還會影響采光，從而對駕駛造成影響。為了提高聚碳酸酯的耐磨耐候性能，應(yīng)該在聚碳酸酯的選用中，首先要選用自身高耐候高耐磨的聚碳酸酯材料，其次在材料上通過涂層硬化的方法進(jìn)行保護(hù)處理，在將保護(hù)層涂抹添加后可以有效的提升聚碳酸酯樹脂的耐候性及耐磨損性能。采用熱固化濕法涂覆或者涂漆方法，將丙烯酸酯樹脂或者硅氧烷樹脂涂抹在聚碳酸酯玻璃上，是目前最常用的技術(shù)，這兩者技術(shù)都可以保證聚碳酸酯可以低成本高效率的得到耐候及耐磨損的提高。但是這種方式容易對環(huán)境造成破壞。Sabic集團的EXATEC公司，開發(fā)了等離子增強化學(xué)氣相沉淀（PECVD）進(jìn)行硅氧烷濕法涂覆的技術(shù)，在耐磨損及耐候性都得到提升，并且可以保持長時間的耐性合格率。

5 聚碳酸酯在汽車玻璃窗上的發(fā)展前景和應(yīng)用趨勢

汽車玻璃作為汽車重要的安全部件之一，在承載了審美功能的同時，還兼具著保護(hù)駕駛及乘坐人員的核心職能，同時也集成采光、放水防塵、耐熱和隔音等作用。伴隨著汽車的發(fā)展跟技術(shù)科學(xué)的進(jìn)步，汽車?yán)^承了越來越多的新技術(shù)、新功能，這也對汽車玻璃提出了新的要求。這也意味著傳統(tǒng)的無機玻璃很難承載這些職能，也就為聚碳酸酯汽車玻璃的應(yīng)用帶來了全新的機遇。

在國外，聚碳酸酯材料的供應(yīng)商，以及一些聚碳樹脂玻璃窗開發(fā)公司，為聚碳酸酯在汽車玻璃上的應(yīng)用進(jìn)行了深度的合作開發(fā)，共同推進(jìn)了聚碳酸酯的應(yīng)用。在國內(nèi)，許多大的聚碳酸酯材料供應(yīng)商如沙比克等已進(jìn)入中國，他們帶來了先進(jìn)的技術(shù)和與聚碳酸酯樹脂玻璃合作開發(fā)的經(jīng)驗，正在需求專業(yè)的成產(chǎn)合作伙伴，一同進(jìn)行聚碳酸酯樹脂玻璃的開發(fā)和生產(chǎn)。伴隨著原材料的大量產(chǎn)出，也為聚碳酸酯的推廣應(yīng)用提供了先決條件。在未來的一段時間內(nèi)，聚碳酸酯材料必將大量使用。技術(shù)革新為汽車的設(shè)計也帶來了更多的可能性，全新的設(shè)計理念，也伴隨聚碳酸酯材料的推廣，逐步實現(xiàn)。

6 結(jié)語

由于聚碳酸酯的的高性能表現(xiàn)，聚碳酸酯在汽車中將逐漸替代傳統(tǒng)的車窗玻璃的位置，成為更契合汽車發(fā)展的新材料，并通過自身的輕量化及造型設(shè)計自由的特點推動汽車行業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)的汽車生產(chǎn)商和聚碳酸酯材料商可以吸取國外先關(guān)從業(yè)廠商的經(jīng)驗教學(xué)，結(jié)合自身特性，開發(fā)出優(yōu)秀的產(chǎn)品，打造我們自己的汽車產(chǎn)品，從而促進(jìn)我國汽車行業(yè)發(fā)展。