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盘点车用塑料创新案例 探索应用无限空间

2019-10-15来源:婉清说旅游

相比传统钢材,汽车塑料在轻量化、提升造型设计自由度、降低成本上优势明显。在非关键结构件处使用塑料,既不用担心提高塑料件强度的问题,还能获得以上提到的诸多优势。在现今环境和燃油问题的迫使下,各车企开始重视塑料件的使用。比如大众率先全系采用集成了水箱、散热器、风扇的塑料水箱框架,雪佛兰更是在上世纪50年代率先使用SMC材料用作车身覆盖件。

在过去30年间,汽车的塑料用量己从20世纪60年代初的10kg左右上升到21世纪初的 200kg量级。亚太地区是最大的汽车塑料市场,其表现也一直备受关注。目前中国各类车型汽车使用塑料达到了每辆130~160kg,相比2010年(70kg)已经有了显著提高,但与汽车强国,如德国(300kg)相比还有差距,这也说明,亚太地区还有长足的进步空间。

塑料使用区域分类

现今汽车塑料的应用主要分为:功能结构件、内饰件、外饰件三类。针对不同类别,塑料件的特性和使用功效各有不同。

功能结构件中,塑料能提高耐腐蚀度、耐磨度、表面光滑度和减重效果。比如采用改性塑料并通过AIM工艺制备的发动机进气歧管,相比传统的铸铁、铝件有很多优点:

1)与铸铁和铝相比,重量减少40%;

2)内壁光滑,有利于提高进气充量;

3)良好的抗化学性,有效提高其使用寿命。

此外,宝马公司还曾在微型底盘汽车的前端部件系统中,使用比例近30%的玻璃纤维增强PP材料,除降低成本外还可减少近30%的部件质量。

在外饰件上,塑料可减轻车重、降低维护成本并提高车身造型的自由度,一体成型的塑料尾门一度成为热潮,比如1982款雪铁龙BX,就在尾门上使用了BMC(不饱和聚酯团状模塑料)材料,此后如1996款沃尔沃V70、2002款梅甘娜II、2007年马款自达5、2011年标致508的旅行版、2014款DS6等都有使用塑料尾门。

在内饰件上,塑料则能降低成本,提高环保、舒适性和安全作用。由于塑料良好的包容性,部分品牌车门还会采用天然纤维和PP热压制作,有效减轻车门重量、降低成本和隔音能力。另外纤维还能大大提高门内板强度,并在激烈碰撞中通过材的自行粉碎吸能,保护车内乘员安全。

塑料在内饰上的作用不限于此,比如优秀的座椅离不开舒适性,现今汽车弹性减震部分大都使用软质PU模塑泡沫塑料。考虑到塑料易成型的特点,利用得当还能增大车内空间,这直接促成了车门内板与扶手一体化设计的流行。

下表列举了主要汽车塑料件的使用情况,塑料件在汽车上的分量要比我们想象中大得多。

主要汽车塑料件的使用情况

类别

汽车塑料制品

功能结构件

气门室罩盖、冷却风扇、燃油箱、散热器水室、油泵壳体、进气歧管、前大灯组件、速度表、配线、蓄电池、音箱

内饰件

仪表板、杂物箱、杂物盒、烟灰盒、方向盘、立柱装饰、扶手、车门、地板护板、手套箱

外饰件

保险杠、侧防撞条、散热器格栅、保险杠、扰流板、挡泥板、挡泥板衬板、车门把手

就汽车塑料使用率看,乘用车中的塑料部件占车身总重量的比例平均在8%~12%,但应用于外饰件的比例仅占车身总重的1%~2%,内饰件占比最高,大约在5~8%。所以大趋势上,外饰件和功能结构件的塑料化将成为下一步重点发展方向。

比如采用旋塑工艺的全塑车身结构,能够减重近60%的车身重量,这是传统材料和工艺不能企及的高度,不过由于强度不足,现今全塑车身主要被使用在低速电动车领域。


常用车用塑料分类

除使用区域分类外,常用塑料的功能及应用也是我们不可忽视的。以下我们从材料属性上列举了现今汽车常用塑料的使用部位及其特点。

1)聚丙烯(PP)

由丙烯单体制成的饱和加成聚合物,坚固耐用,对许多化学溶剂、碱和酸具有异常耐受性。

应用:汽车保险杠、电缆绝缘、气罐、地毯纤维。

2)聚氨酯(PUR)

物理性能优秀,包括韧性,柔韧性和耐磨损性和耐温性。比如其高承载能力以及出色的抗天气、臭氧、辐射、油、汽油和大多数溶剂的能力就是汽车急需的。

应用:柔性泡沫座椅、座垫、轮胎、汽车悬架衬套。

3)聚氯乙烯(PVC)

良好的柔韧性、阻燃性、热稳定性,高光泽度、易成型。

应用:汽车仪表板,电缆护套,车门。

4)ABS

光泽度高、不透水,低温弹性良好。包容度强,可以进行各种改进以改善耐冲击性、韧性和耐热性。

应用:汽车车身部件,仪表盘,车轮罩。

5)聚酰胺(PA,尼龙6/6,尼龙6)

尼龙6/6是一种通用的尼龙,可以模制和挤出。有机械性能良好、耐磨、成本低。

应用:齿轮,衬套,凸轮,轴承,耐候涂层。

6)聚苯乙烯(PS)

热性能良好、防水防潮、质轻硬度高、价格低廉且易加工成型。

应用:设备外壳,按钮。

7)POM(聚甲醛)

POM具有优异的刚度,刚度和屈服强度(这些性能在低温下也很稳定)。

应用:内饰和外饰,燃油系统,小型齿轮。

8)聚碳酸酯(PC)

具有优异的耐候,蠕变,冲击,光学,电学和热学性能。

应用:保险杠,前照灯镜头。

9)丙烯酸(PMMA)

迄今为止合成透明材料中质地最优异,价格又比较适宜的品种,透明度优良,有突出的耐老化性,工艺精美、全字体呈镜面效果、底座无褶皱。

应用:显示器屏幕、信号灯设备、仪表盘等。

10)PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)

热塑性PBT被用作电气和电子行业的绝缘体,可以在140℃下长期工作。另还有着韧性高、耐疲劳,摩擦系数低等优点。

应用:烟灰缸、门锁系统、车镜、门把手、车灯框、雨刷柄、保险丝盒、连接器、点火系统、车灯插座等。

11)聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)

热变形温度和长期使用温度在热塑性通用工程塑料中最高。机械性能与热固性塑料相近,耐蠕变及疲劳性高、表面硬度高。

应用:雨刮臂和齿轮箱、大灯固定器、发火线圈、发动机盖、连接器外壳。

12)ASA(丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯)

具有很高的韧性和刚性,具有出色的耐候性,良好的耐化学性、热稳定性及高光泽度。

应用:保险杠、后视镜外壳、散热格栅。


未来汽车零部件塑料化趋势

就现今汽车塑料使用来说,还远没到饱和的程度。比如仅塑料保险杠就占到了约42%汽车塑料总用量,而塑料前端框架的使用也是近些年才流行起来,国内至今甚至都没有建立相关检测标准,由此可见多元化发展的目标还远没实现。

而在材料类别层面,聚丙烯(32%),聚氨酯(17%)和聚氯乙烯(16%)占汽车总高性能塑料的约66%,新型车用塑料的使用还有进一步提升空间。

由于碳纤维材料成本居高不下,目前汽车塑料的市场机遇就落到了以下新材料上:聚甲基丙烯酸甲酯、长玻纤增强聚丙烯材料、热塑性复合材料、生态塑料或生物塑料等。

受篇幅限制,这里重点讲解下长玻纤增强聚丙烯材料和生态塑料或生物塑料的应用。

长玻纤增强聚丙烯材料可应用于仪表板,门模块,前端模块,尾门以及需要平衡尺寸稳定性,耐热性和重量优化的其他内部和半结构应用。比如早在2016年10月盛禧奥推出的ENLITETM LGF 1851,作为全球首创的长玻纤增强聚丙烯,其长玻纤含量达85%,相比传统含20%或30%的PP-LGF,此产品能降低约10%的成本。

不仅盛禧奥,包括博禄、塞拉尼斯、SABIC等知名品牌都对此进行过深入研究,并投入实际使用,比如塑料制造商沙特基础工业公司(SABIC)的推出的长玻纤增强PP,就被使用在奇瑞汽车公司最新推出的eQ1电动汽车尾门板上,并使其顺利实现了内部结构重量降低40%的目标。

众所周知,生态塑料或生物塑料是过去十年发展最快的材料行业之一,比如第四代马自达MX-5Miata(2015)的小型内饰上就使用了自家开发的生物材料,随后CX-9等重磅车型中也开始跟进使用。

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