汽車輕量化背景下節能環保新材料的選用

劉志偉，孟洲漁，周小梅，周 勇

(南京聚隆科技股份有限公司 江蘇 南京 210061)

1 汽車輕量化的研究意義

目前，人們越來越重視汽車各方面綜合性能，同時為了響應國家號召，現代汽車發展趨勢是實現輕量化[1]，這樣汽車降低了燃油消耗量，節約資源，同時減少尾氣排放量，從而保護環境。為實現汽車輕量化，首先要從汽車材料的改進研發出發，研制低成本、高強度性能的輕質汽車材料，從而節約能源、綠色環保。汽車技術發展離不開汽車材料的發展，符合國家標準的節能環保新材料的研發對汽車工業發展起到重要作用。研究表明[2]，汽車整車重量減少 10%，燃油消耗量可降低 6%～8%，尾氣排放量也相應減少，同時汽車輕量化的實現增強了汽車加速性能，而且改進了車輛控制穩定性、噪音、振動等各方面的綜合性能。整車輕量化是實現綠色環保的有效手段，對于有害氣體的控制，即整車 VOC[3]控制，對實現現代社會綠色環保有重要影響。當前，國內實現汽車輕量化的新型材料產業蓬勃發展，同時在汽車制造行業逐漸被認可應用。據統計[4]，汽車車身、底盤(含懸架系統)、發動機三大件約占一輛轎車總重量的 65%以上。其中車身內外覆蓋件的重量又居首位，因此減少汽車自身重量對降低發動機的功耗和減少汽車總重量具有雙重效應。綜上所述，為實現汽車輕量化，必須從車身制造材料方面入手，尋找研發低成本、低密度、高強度和綠色環保輕質材料，如塑料聚合物材料、陶瓷材料等。

塑料聚合物材料在降低成本的同時，既可以降低整車質量，又綠色環保，因此是汽車首選的最多的非金屬材料，相關技術也比較成熟，塑料應用也非常廣泛。塑料[5]材料，其密度較小，從而重量較輕，而且材料本身強度性能高，熱穩定性強，耐腐蝕性強，成本相比金屬較低，在遇到撞擊時可以充分吸收能量，加工工藝比較簡單，用作汽車內飾材料比較美觀、舒服，對整車的安全性、舒適性和外觀都有提升。本文著重介紹汽車保險杠薄壁材料、以塑代鋼材料、綠色環保材料的發展。

2 保險杠薄壁化材料

目前，塑料保險杠[6]主要通過注塑成型生產，采用的主流材料為改性聚丙烯(PP)。歐美主機廠重點關注安全系數因素，量產車型保險杠壁厚一般為2.7～3mm，正在向 2.5mm發展。日系車的塑料件側重關心燃油消耗量的減少，從而節約能源，主機廠從一開始就傾向于保險杠薄壁化，現在保險杠壁厚絕大多數為 2.2～2.5mm，同時少量制件經過多重改進設計，壁厚已達 2mm，且仍有下降趨勢，多是與材料供應商同步開發，研發階段車型的保險杠壁厚甚至達到1.8～2mm。國內主機廠量產型保險杠壁厚多為3mm左右，而已知的國內自主品牌汽車的塑料件最薄壁厚為2.6mm。實際上，主機廠對保險杠制品的要求不斷變化，2003年至今，對于保險杠的要求，主要集中在低成本、壁厚減薄至 2～3mm、能快速成型、實現輕量化的同時滿足高強度等幾個重點方面。

2.1 高流動性

壁厚減薄，熔體充模時要受到更大的阻力，同時，熔體冷卻速度加快也容易導致充模不足，這說明，在相同材料的前提下，需要較大的壓力才可以注滿薄壁型腔，所以材料的高流動性對制件加工有很大的影響。高流動性的材料，在加工注塑壁厚減薄的材料工藝方面減少了一定的困難，如對注射壓力、成型溫度和模具溫度等條件的要求下降，同時缺膠問題基本不會出現。

2.2 高模量

壁厚減薄會導致制品剛度下降。汽車保險杠噴涂后的外觀效果要求限制了其背面做加強筋的結構設計。因此，從綜合性能方面考慮，想要制品的強度足夠高，材料的彎曲模量必須相應增強，這樣才可以保證制品滿足高強度的要求。

2.3 高韌性

汽車保險杠屬于被動安全件，是汽車的安全防護裝置之一，此外，在汽車與行人發生碰撞事故時，保險杠還可以起到一定的保護行人的作用。因此，無論是傳統保險杠還是薄壁保險杠都要求材料具有高韌性。通常用材料的沖擊強度表征其韌性，傳統的保險杠材料沖擊強度一般要求在 35kJ/m2以上，更嚴格的要求在40kJ/m2以上；薄壁化材料的沖擊強度要求有所下降，但通常也在30kJ/m2以上。

薄壁保險杠所用材料具有高模量、高韌性和高熔指的特性。其中，高模量是為了滿足制件減薄后的剛性要求，高韌性是為了滿足零件碰撞吸能和無脆片飛濺方面的要求。另外，在壁厚減薄的前提下，材料的加工性能必然要求更高，對此高熔指也成為一個必要條件。目前，國內自主品牌已在保險杠薄壁化方面有了應用實踐，某些車型已經量產，但基本壁厚大多在2.5mm階段。隨著應用的成熟以及輕量化發展趨勢的推動，一些車型將朝著壁厚 2.2mm 甚至更薄的方向發展，這對提升 PP基料的水平和改性技術提出了更高的挑戰，如采用綜合性能更好的PP、彈性體以及復配型的高強度填充體系。

3 以塑代鋼材料

復合材料尤其是碳纖維復合材料[7]，在汽車技術發展方面實現汽車輕量化應用非常廣泛，給傳統汽車設計理念提供了一種新的思路，同時也給制造技術帶來一定的影響，如汽車車身制作，沖壓、焊裝、涂裝和總裝等傳統制造工藝、管理模式可能出現徹底的改變。復合材料密度相對較小，自身強度性能高，熱穩定性好，耐腐蝕性強，抗振效果明顯，耐沖擊，同時加工工藝成熟且容易，制件既安全、舒適，又設計美觀。同時滿足低成本、汽車重量減輕、高強度要求等方面，綜合性能比較幾乎可以超過鋁材。

4 綠色環保材料

隨著汽車工業的發展，環保及車內空氣污染潛在的危害越來越受到消費者的關注，這也是各大汽車主機廠亟待解決的行業難題。內飾部件的揮發性有機化合物[8]是影響車內空氣的主要原因之一。大多數內飾部件中都含有一定量的揮發性有機化合物，主要包括甲醛、乙醛、丙烯醛、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯等物質。當氣溫達到一定高度時，這些揮發性物質就會釋放出來，產生令人不舒服的氣味，甚至引起頭疼，對身體造成傷害。

因此大量的研究工作正致力于提高PP復合材料的抗沖擊性能和低散發性能，以此來制備高強度、低散發的環保汽車內飾復合材料，例如選用合適的增韌劑、填充材料、偶聯劑等其他加工助劑對 PP材料進行填充、增韌共混改性，或通過改變擠出工藝條件、添加吸附劑等方法對PP制品的VOC和氣味進行調控。制備聚丙烯汽車內飾復合材料的方法在國內外有相關報道，Trassl等[9]提出了一種基于泡沫顆粒的超輕汽車內飾件概念，這種具有多材料系統的汽車內飾件將更輕，但未對汽車內飾散發性能進行研究。Chu等[10]研制了一種低 VOC含量 PP材料，同時對其在加工工藝技術和在汽車內飾中的應用進行了一系列的研發，指出制備生產材料時，采用高質量、高純度的母料和助劑，運用新型聚合技術，這樣可以從根本上對所生產的聚合物中的揮發性有機化合物含量有所控制；對于生產加工來說，在基體材料中添加高效的氣味吸附劑和萃取劑，聚合物基體中具有氣味的有機化合物幾乎很好地被吸附。Yang等[11]則研究了 PP/POE共混物在沖擊和高速拉伸實驗中的脆韌轉變，揭示了增韌劑POE對共混物強度的影響，對制備高強度的PP復合材料提供理論基礎。李英平等[12]研究了車用聚丙烯改性材料氣味控制相關技術，結果表明車用聚丙烯材料的氣味性要得到有效降低最好的方法就是在基體材料中添加除味劑進行復合除味。潘瑞琦等[13]重點關注了聚丙烯氣味及揮發性有機物受助劑因素的影響，主要通過添加不同的抗氧劑、過氧化物、光穩定劑、化學除味劑和氣味吸附劑等助劑，研究 PP氣味和 VOC的不同變化、不同影響，給生產加工低散發PP材料提供了重要的新思路。

5 總 結

汽車輕量化目前主要實現方式有結構優化設計，通過先進的 CAE分析技術，優化產品設計結構；新型材料的選用，如高強度鋼的應用，碳纖維增強復合材料等新材料的以塑代鋼；先進的成型技術，如微發泡注塑工藝等。融合了材料設計、結構設計、工藝設計的一體化設計，降低整車零部件重量并保持零部件的強度及可靠性。實現汽車輕量化的綜合指標是減重、環保、降耗、安全、舒適，但必須確保隨著汽車產品自身重量的降低，汽車綜合性能得到增強。輕量化和綠色環保是一項涉及基礎理論、工程設計、工廠制造、實踐驗證的內容豐富、涉及領域廣泛的課題，必將經歷一個努力的探索過程。汽車將在不遠的將來，以清潔、強大、輕量的嶄新形象引導新一代的潮流。