高分子材料在新能源汽車輕量化中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

摘要：以新能源汽車輕量化需求為背景，詳細探討常用高分子材料在汽車材料輕量化中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對高分子材料未來發(fā)展進行展望。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；輕量化材料；高分子復合材料；發(fā)展趨勢

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護意識的日益增強和能源消耗問題的突出，零排放、低能耗新能源汽車逐漸成為車壇新星，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)燃油車的地位。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2023年我國新能源汽車產(chǎn)銷突破900萬輛，滲透率達31.6%，證明了新能源汽車的重大潛力[1]。我國在《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》明確指出，發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路，是應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展、實現(xiàn)“雙碳”目標的戰(zhàn)略舉措。

然而，要實現(xiàn)新能源汽車的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，除了提升電池技術(shù)和充電設(shè)施建設(shè)外，輕量化技術(shù)也成為一個至關(guān)重要的戰(zhàn)略。據(jù)相關(guān)研究表明，汽車整備質(zhì)量每降低10%，能耗效率可提高6%～8%，續(xù)駛里程可增加5.5%，加速性能提高8%～10%，制動距離縮短2～7m，能有效減少對有限資源的依賴和實現(xiàn)碳零排放[2]。目前，我國新能源汽車的質(zhì)量普遍較國外產(chǎn)品大10%～30%，如何實現(xiàn)新能源汽車“減負”是發(fā)展我國新能源汽車發(fā)展的重中之重。

新能源汽車輕量化途徑主要有三個：制造工藝、材料輕量化以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。其中，材料輕量化是最直接有效的減重途徑。在材料輕量化技術(shù)中，高分子材料因其良好的成型性、優(yōu)異的力學性能和良好的抗腐蝕性等特點，逐漸成為新能源汽車中不可或缺的材料選擇，被廣泛應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)件、電池包殼體、內(nèi)飾件以及各類功能件。

本文將深入探討常用高分子材料在新能源汽車輕量化中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，分析其在不同部件中的具體應(yīng)用案例，探討性能優(yōu)化與技術(shù)發(fā)展的最新進展，并展望未來可能的研究方向和技術(shù)突破，旨在為推動新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級提供理論支持和實踐指導。

ABS材料

ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三種單體共聚而成的熱塑性聚合物樹脂，具有良好流動性、韌性、尺寸穩(wěn)定性和高耐熱性，廣泛應(yīng)用于機械、汽車、紡織和建筑等領(lǐng)域。然而，ABS塑料存在耐候變色、易燃等缺點，在汽車上應(yīng)用（見表1）主要以纖維或聚合物共混改性ABS為主，如ABS/PC、ABS/PA、ABS/PVC塑料合金等。

改性ABS可以提高塑料在不同維度的性能。如杜娟等[3]研究了長玻纖（LGF）、短碳纖和PP含量對ABS性能的影響。結(jié)果表明：ABS/5PP/40LGF復合材料在拉伸、彎曲、沖擊性能分別提高了225%、225.9%和13.2%。丁步鵬等[4]制備了滑石粉和酸性潤滑劑改性PC/ABS合金，發(fā)現(xiàn)酸性潤滑劑可以促進滑石粉分數(shù)，改善滑石粉對PC的降解程度，提高了PC/ABS綜合力學性能。

聚氨酯類（PU/TPU）材料

現(xiàn)今汽車工業(yè)正向輕質(zhì)高強、綠色環(huán)保、舒適與安全方向發(fā)展。PU材料因其優(yōu)異耐磨性能、耐低溫性、耐化學性和加工方式多樣性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于座椅、車內(nèi)地板、遮陽板及保險杠等部件，被認為是實現(xiàn)汽車材料輕量化的關(guān)鍵材料（見圖1）。目前，汽車輕量化用PU材料主要為PU泡沫、TPU塑料合金。

閆紅英[5]通過調(diào)整噴涂發(fā)泡工藝參數(shù)，實現(xiàn)了優(yōu)異性能的硬質(zhì)聚氨酯泡沫制備。郭勇生等[6]開發(fā)了一種低氣味、高阻燃客車座椅用聚氨酯泡沫產(chǎn)品。宋澤濤等[7]制備了生物基聚氨酯泡沫材料，實現(xiàn)良好降噪效果。

熱塑性聚酯（PBT、PET）材料

PBT材料是高性能聚酯材料，具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性、耐化學性、低水分吸收等特性，在汽車反射鏡外殼、汽車保險杠、汽車門把手及頂棚等方面應(yīng)用廣泛（見表2）。純PBT力學性能低、易翹曲變形，采用添加玻璃纖維和無機填料（滑石粉、云母、玻璃微珠等）有助于提高其拉伸強度和改善材料翹曲變形[8]。李陵洲等[9]制備了PBT/PC合金材料，用于汽車電器盒。

PET作為常用工程塑料，因加工條件、結(jié)晶速率慢的影響，導致其在汽車應(yīng)用受到限制。為改善其特性，一般利用纖維增強或聚合物（PBT，PC）改善其性能。日本寶理塑料集團推出了用于汽車后視鏡和雨刷臂/葉片的30%和40%玻纖含量的汽車外飾用玻纖增強PET塑料。許凌峰等[10]利用PET/PC共混方式提高了材料耐溶劑性、噴漆龜裂、開裂等問題。

生物基高分子材料

生物基高分子材料的創(chuàng)新應(yīng)用有助于推動汽車工業(yè)的“綠色制造”進程，減少傳統(tǒng)石油基高分子材料帶來的“白色污染”。目前，在汽車上使用的生物基材料（見圖2）主要包含兩類：植物纖維和生物塑料。

植物纖維主要以麻纖維、木纖維和竹纖維為代表的生物纖維復合材料主要用作汽車內(nèi)外飾件。何莉萍等 [11]研究了改性麻纖維含量對麻纖維/PP復合材料力學性能、結(jié)晶行為、耐熱性能的影響，在纖維含量為15%和20%時，復合材料熱力學性能最佳。福特公司開發(fā)了用于汽車發(fā)動機防護罩的黃麻纖維增強PP復合材料，實現(xiàn)減重30%。大眾、寶馬、日本三菱等汽車公司也將竹纖維、洋麻、稻殼及麥稈等生物纖維用于其汽車內(nèi)飾、車門板、座椅靠背等部件，實現(xiàn)汽車零部件輕量化。

生物塑料是從生物原料中提取成為作為原來合成的材料，如聚乳酸（PLA）、生物基PA、生物基PP等。德國勞士領(lǐng)公司與科比恩公司合作開發(fā)玻纖或木纖維增強PLA復合材料，用于汽車導流罩、側(cè)護板、副保險杠等零部件。綠城生物材料技術(shù)有限公司研發(fā)一種用于汽車進氣格柵、三角窗框等零部件的高強度高韌性PLA復合材料。羅迪亞公司開發(fā)出蓖麻油基PA，用于汽車進氣管、輸油管等部件。凱賽生物通過生物法制備的綠色尼龍用于新能源汽車電池模組。

生物基雖然優(yōu)勢明顯，但其存在的植物纖維差異化大、可控性差、生物基材料熱穩(wěn)定性差、加工技術(shù)不成熟及成本高等問題，制約了其在汽車的大規(guī)模應(yīng)用。因此，后期需從原材料、加工技術(shù)等方面提高其在汽車應(yīng)用綜合性能。

智能高分子材料

在汽車輕量化、智能化及網(wǎng)聯(lián)共享化發(fā)展的背景之下，智能材料具有廣闊的應(yīng)用前景。現(xiàn)在智能材料主要有壓電材料、自修復材料、自變色材料等。

壓電材料主要用于汽車懸架、輪胎、汽車廢棄等方面能量的回收。Maurya等 [12]設(shè)計了一種可用于監(jiān)測輪胎狀態(tài)和為輪胎內(nèi)部裝置供電的壓電裝置。米其林在其輪胎內(nèi)噴涂一層自修復高分子材料，實現(xiàn)輪胎防刺漏[13]。智能變色材料可以減少噴漆過程、節(jié)約電源及降低成本等優(yōu)勢，是未來汽車智能化發(fā)展方向之一。中禾科技開發(fā)了EPC等可逆電控變色玻璃，實現(xiàn)對光線的阻擋和透射，成功應(yīng)用于吉利、福特等汽車。

隨著對智能材料的深入研究，其在汽車領(lǐng)域應(yīng)用將日益深入，為實現(xiàn)商業(yè)化，仍需要解決產(chǎn)品成本、耐溫性、耐久性及精度等問題。

再生高分子材料

隨著高分子材料在汽車應(yīng)用日益廣泛，廢棄的汽車制品成為一個嚴重的環(huán)境問題。如何回收廢棄塑料制品對實現(xiàn)資源再生利用、保護環(huán)境、降低車用材料成本等方面具有重要的意義。

許歡等[14]將廢舊車門內(nèi)板聚丙烯材料改性回收，實現(xiàn)了廢舊材料非降級使用。王偉等[19]制備了擴鏈改性回收尼龍6/碳纖維復合材料，并分析表征了再生材料的結(jié)構(gòu)和性能。斯柯達與Sage Automotive Interiors合作開發(fā)一種羊毛與再生聚酯融合的材料，用于汽車座套和座椅加熱器。梅賽德斯-奔馳概念車將回收PET瓶材料用于環(huán)保創(chuàng)新內(nèi)飾。寶馬利用化學回收，將再生高分子材料應(yīng)用于BMW i循環(huán)概念車保險杠。雷諾汽車采用回收設(shè)計，將回收材料制應(yīng)用于儀表盤、中控臺和地毯等零部件。

盡管我國出臺了報廢汽車回收拆解、再生材料利用相關(guān)的政策，但回收網(wǎng)絡(luò)不完善、回收技術(shù)不足、成本優(yōu)勢不明顯，急需進一步完善政策指導、提高再生技術(shù)、建立數(shù)據(jù)追溯平臺，實現(xiàn)材料—回收—再利用循環(huán)體系。

結(jié)語

汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展帶動了汽車工程材料的不斷更新?lián)Q代，智能化、輕量化高分子材料產(chǎn)業(yè)開始成為汽車制造業(yè)發(fā)展升級的核心力量和重要支撐，是未來汽車行業(yè)發(fā)展的推動力量，但距離在汽車上成熟化應(yīng)用有許多問題亟待解決，如國內(nèi)高分子材料研發(fā)技術(shù)不足、成本過高、無法規(guī)模化制備等問題。未來，應(yīng)加快構(gòu)建高分子材料體系數(shù)據(jù)庫，開發(fā)新技術(shù)和新材料，尤其是低成本、高強度輕量化材料、智能材料和再生材料方面，為實現(xiàn)汽車的輕量化、綠色化、智能化做出更大的貢獻。

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