人人都在減肥，汽車也急著瘦身

梁偲

本文圍繞2017年上海市科技進步一等獎——“聚丙烯高性能化技術及其在汽車輕量化上的應用”項目展開，該獎項由杰事杰集團楊桂生團隊聯合上海普利特、中科院化學所、江淮汽車及合肥杰事杰新材料股份有限公司共同獲得。

汽車曾被稱為改變世界的機器，在其誕生的100多年里，世界格局發生了巨大的變化，為人類立下了不朽的功勛。從19世紀卡爾·本茨制造出的第一輛每小時18公里的三輪汽車（圖1），到現在百公里加速只需要1.9秒的超級跑車（圖2），這100多年里，汽車的發展速度是如此驚人！

圖1 世界上第一輛汽車

圖2 特斯拉新一代Roadster跑車，百公里加速只需1.9秒

可以說，特斯拉在百公里加速的排行榜上已經揚名立萬，那么，這樣“可以飛向宇宙”的速度是如何實現的？除了強大的動力系統、流線車身的阻力小以外，具有超輕的車體結構也必定是一個重要因素。對于追求速度的跑車來說，減重相當于提升了發動機動力，百公里加速時間縮短，剎車距離也縮短——變相地提高了安全性。

因此，為了提高速度，車體的超輕量化成為各大跑車制造商追求的目標，但是，對于汽車行業，你以為輕量化只是單純地為了提高速度嗎？事實上，給汽車減重意義非凡！

輕量化的意義

目前，隨著汽車總量的不斷攀升，其帶來的環境問題也逐漸凸顯：一是能源消耗，汽車擁有量的快速增加造成了巨大的能源壓力；二是尾氣排放，大氣污染物中，39%的一氧化碳、74.8%的碳氫化合物、46.2%的氮氧化物來自機動車的尾氣。

面對汽車快速增加帶來的能源壓力和尾氣排放問題，節能減排工作已經十分迫切，而輕量化是汽車節能減排的重要途徑。

對于傳統汽車，車輛每減重10%，油耗即可下降6%～8%，即車輛每減重100 kg，百公里油耗可降低0.3～0.6 L，二氧化碳排放可減少約8.5 g/km。對于新能源汽車來說，輕量化也意義重大，因為電動車減重10%，其續航能力就可以增加5%～8%。

圖3 塑料在汽車零部件的應用

當然，汽車輕量化不只是單純地為了減少自重，而是在保證結構和性能（特別是安全性）不受影響的情況下，選用相對較輕的材料，達到節能減排和提高續航力的目的。

塑料成為輕量化的優選材料

如今，汽車輕量化成為汽車行業研發的主流方向。硬度強、質量輕的材料成為首選，目前應用得較多的輕質材料包括鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料和塑料等。鋁鎂合金零部件相對鋼制零部件可以減重30%～55%，碳纖維復合材料零部件可以減重40%～60%。但是，由于成本的原因，目前這些材料還是更多地用在跑車或者高端車上，如上述提到特斯拉跑車，其車身就是用碳纖維復合材料打造的。

而將塑料用于汽車上，這與大多數人對于汽車的感覺——炫酷、金屬質感、重量、堅硬——相去甚遠。但是，塑料憑借其密度小、質量輕，且不影響汽車的安全性等優勢而受到青睞（塑料的密度為0.9～1.6，鋼為7.6，鋁為2.7，纖維復合材料小于2）。

除了輕，塑料的其他特征也完全符合汽車的發展趨勢：能夠對強烈撞擊產生較大緩沖，保護駕駛者和行人；易成型加工，可大批量生產；能吸振降噪，提高乘坐舒適度；成本還低。目前，一些車型的塑料用量可達整車用料的1/3，廣泛應用于汽車的各種零部件（如圖3）。

聚丙烯由于其剛性好、耐銹蝕/腐蝕性優異、設計自由度大、易于成型加工，以及是最輕的通用塑料（通用也意味著便宜），目前，已成為汽車用量最大的塑料品種。

說到塑料在輕量化上的應用，我們會想到“以塑代鋼”“制件薄壁化”。“以塑代鋼”要求塑料的強度能與鋼鐵PK，在強大外力作用下能毫發無傷；“薄壁化”不是簡單地要求塑料薄，而是在“薄如紙”的基礎上還堅如磐、韌如絲，對大家眼中柔弱的塑料來說，挑戰性是不是有點大？此外，對于塑料而言，其高溫熔融流動性是衡量成型加工難易的一項指標，流動性好，才能獲得大型薄壁和復雜的制件。

不過，通常高強度、高韌性、高流動性卻總是魚與熊掌不可兼得。一般的方法，韌性提高了，強度立刻下降；強度提高了，韌性和流動性又明顯下降。就像蹺蹺板一樣，永遠是一邊高、一邊低。

事實上，高性能聚丙烯專用材料長期依賴進口。因此，如何才能使高強度、高韌性和高流動性達到有效均衡，已成為學術界、產業界攻關的技術難題。

創新三步走

如同一盤好菜要色、香、味俱全，需要從很多方面入手。新材料從開發到應用成功，原材料的性能（原料是否具有高性能）、制件的結構（汽車部件的形狀）、加工工藝是成功的三個關鍵。

這方面，國內新材料研發，尤其是工程塑料研發的領跑者杰事杰集團幾近20年的探索努力，聯合產學研用各方單位，通過“三步走”的方式——配方創新、結構創新、工藝創新——分別對性能、結構、工藝進行提升，實現了創新材料技術研發及在汽車輕量化上的應用，該項創新成果不僅獲得了2017年上海科技進步一等獎殊榮，而且實實在在地服務于汽車產業的發展。

圖4 楊桂生領銜的團隊獲得2017年上海市科技進步一等獎

第一步：配方創新——新配方“炒出”新味道就像炒菜一樣，加入不同的調料就能炒出新味道。將無機粒子（如滑石粉）、彈性體A、彈性體B、聚丙烯混合均勻，“倒入”擠出機中“炒一炒”，在各種料充分融合過程中，就形成了“核-殼-殼”結構模型（圖5），實現了材料的高強度和高韌性。之后“大廚師”又開發了新“調料”——特殊的超支化彈性體，解決了高流動性問題。這樣，“核-殼-殼模型+超支化彈性體”炒出了高性能的聚丙烯材料——高強度、高韌性、高流動性。

圖5 核-殼-殼結構模型

第二步：結構創新——計算機仿真模擬汽車制件的結構模仿容易，創新卻很難；一些結構復雜的制件加工也有很大難度。那么什么樣的制件結構才能發揮材料的最大性能并實現加工呢？傳統的方法是反反復復做試驗，不僅浪費材料，也增加時間和成本。怎樣才能最短時間、最低成本、高準確度地完成結構設計呢？答案是：計算機仿真模擬。

楊桂生團隊利用工程塑料計算機輔助工程開發系統開發出了適合超強超韌材料的分析和仿真計算方法，使仿真準確率達到99.9%，開發周期縮短60%，填補了該技術領域的國內空白。

第三步：工藝創新——材料性能更可控好火候讓菜更香，好工藝讓材料性能更可控。通過調控加工溫度、加工時間和剪切場等，能有效調控材料流動的穩定性、強度和韌性。只有掌握好“火候”，才能使制件在保證性能的前提下，實現壁厚的進一步減薄。

應用

研發出的聚丙烯材料的性能優于國際同類產品，已經實現汽車零部件的以塑代鋼和薄壁化，廣泛應用于汽車的保險杠、門板、立柱、新能源汽車電池包等。

最直接、最重要的作用是減重在以塑代鋼方面，可以用塑料代替一直以來只能用金屬制備的部件。例如，用塑料代替了新能源汽車蓄電池上蓋的鈑金件，減重70%。這是國內外首次成功將聚丙烯材料應用于蓄電池上蓋，也是迄今為止汽車上最大的注塑件。

在原有塑料制件薄壁化方面，零部件的厚度可由原來的3mm減至1.8～2.5mm，減重20%～40%。

減重效果好不好，直接看數據（見表1）。

從表中數據可見，使用高性能聚丙烯材料后，零部件減重20%～70%不等，極大地促進了汽車的輕量化。

打破國外壟斷、出口國外打破了國外對高性能車用塑料材料的壟斷，實現了汽車關鍵薄壁化零部件原材料的國產化，性價比也遠高于國外同類產品（如日本三菱、荷蘭利安德巴塞爾等）。

目前，采用高性能聚丙烯材料制造的汽車零部件，已累計裝配汽車4 000萬余輛，減排500多萬噸。該材料已出口美國、德國、西班牙、日本、新加坡等十多個國家，且出口量逐年遞增。

表1 各種車型減重效果

前景展望

面對汽車油耗壓力的增大和新能源汽車續航里程的短板，無論從傳統汽車的節能減排還是新能源汽車增加續航的發展趨勢看，輕量化都將成為汽車產品的重要標簽。中國汽車輕量化的技術發展路線是：實現到2020年整車減重15%、2025年減重20%、2030年減重35%的輕量化目標。未來，汽車輕量化將更大比例地應用鋁鎂合金、碳纖維復合材料等來實現輕量化。

杰事杰集團長期專注于“材料解決方案”及“材料再定義”，以新材料開發來驅動輕量化的發展：未來會將更多的塑料應用到更多的部件上——從最初的保險杠、立柱、新能源蓄電池上蓋的應用擴展到引擎蓋、后門、后尾門等，甚至應用到車身和底盤上；開發綠色材料、可用于新能源汽車車身和底盤的碳纖維增強復合材料等。

輕量化不是純粹減重，而是在完善和提高汽車綜合性能的基礎上，盡可能降低車身重量，實現質量降低、結構優化、安全性能提高和成本降低的有機結合。當汽車遇見了塑料，猶如換上一身便裝，期待未來的汽車能徹底甩掉多余的“贅肉”，做個輕便而靈活的“瘦子”！