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星易迪19年“工程塑料” “阻燃尼龍” 研發生產廠家!江蘇省質量信得過企業· 常州大學產學研基地

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塑料應用之汽車塑料的發展趨勢

文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2013-03-04 14:07:00

  國內外汽車制造業正掀起一場革命,但都朝著高能源效率,高安全標準和高品質的設計方向發展。
  汽車的普及、保有量的快速增長和城市化進程的快速實施,導致道路擁擠不堪、道路交通事故頻發,噪音和廢氣對環境的污染等等,成為困擾人類生存環境的嚴重問題。人類面臨著石油資源的匱乏,自然環境的破壞,生態變化的危機。因此,社會對汽車制造業提出了要求:安全、節能、環保!
  高品質設計滿足高標準要求
  實現節省資源、環保和節能降耗的目標,必須從整車設計方面入手。從降低能耗的要求分析,可以通過:采用體積更小、品質更輕、功率更大、耗油量更低、廢氣排放污染更少、技術更先進的發動機;開發傳動效率更高的動力傳動系統;改善車身的形狀;減小空氣阻力;改善底盤的結構;提高整體性能。其中車身和底盤部分在汽車總品質中所占比例比較大,可改善空間大。除此之外,還必須考慮采用新型材料來降低整車的品質,從而減少燃油消耗和廢氣排放。
  堅持高品質設計是汽車工業發展的重要途徑,汽車是一個復雜的機械產品,由功能各不相同的幾個基礎部分、幾千個零部件組成,使用的材料種類也高達上百種。所以,在設計過程中應該首先堅持輕量化、減量化,同時還必須考慮回圈經濟和環保問題。

 

  汽車輕量化,是指在保證汽車強度和安全性能的前提下,盡可能地減輕汽車的整車品質。首先要從汽車結構的合理設計開始,充分考慮到新材料(包括輕量化材料)的應用?,F代汽車工業設計,幾乎全部采用了CAD/CAE/CAM技術,可利用FEA有限元分析功能來分析部件結構的運動行為、應力分布,并對生成的相關資料進行工程分析與剛度和強度計算,對局部進行優化及強化設計,達到輕量化的目的。

  減量化是一種顛覆傳統設計理念的革命性設計手段,并不是單純的以減輕車身品質作為最終目標,它要從結構方面考慮,本著功能集中的設計原則,盡最大可能的減少零部件的數量,減小零部件體積和外部尺寸,使結構更加緊湊;從而達到在符合各種法規和標準的前提下,在不影響整體性能的情況下,達到節能、環保、回圈經濟的目的。
  減量化是高品質設計中的核心組成部分,要求必須從采用全新的形狀優化設計方法、先進的控制技術、輕量化車身、新型高強度輕型材料、減少零部件數量、優化結構和提高工藝方面開始。形狀優化設計法,是基於生物學增長規律的設計方法,既可減少車身部件數量,又可減輕零件品質,還可延長零件的使用壽命。采用形狀優化設計的車型零件數可以從400個減少到少於100個,品質減輕25~30%,最多可使裝車品質降低500kg左右。由此,可看出這種設計的巨大潛力。
  新型輕質材料在汽車輕量化過程中的重要性
  汽車常用的輕量化材料有:高強度鋼、鋁鎂合金、塑料及聚合物材料、樹脂基復合材料、碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料等。雖然鋼鐵材料仍在結構材料中保持主導地位,但比例逐年下降,鋁鎂合金、工程塑料、復合材料等材料比例逐漸增加。“以塑代鋼”已成為汽車工業發展的趨勢,可以做到從汽車結構件擴展到整個汽車的內外飾件。從結構材料和功能材料的角度以及物理性能指標等方面分析,塑料及復合材料無疑是最佳的汽車輕量化材料,也是實現輕量化的重要途徑之一。

 

 

  塑料在汽車上的應用
  塑料是汽車上應用最廣泛的輕質材料。它是以合成樹脂為基體,加入不同的添加劑并在一定的溫度、壓力的作用下,塑造成各種形狀制品的高分子材料。
塑料的種類繁多,按熱性能分為熱固性和熱塑性兩類;按應用范圍又可分為通用塑料、工程塑料、高性能工程塑料。塑料幾乎可以應用在汽車上的所有總成,行業內習慣將它們分為內裝(飾)件、外裝件和功能件(其他結構件)??梢詫ζ嚢踩?、舒適性、輕量化、回收利用等的提升給予了較大的技術支援。
  目前使用量最大的汽車塑料有PP(聚丙烯)、PUR(聚氨酯)、PVC(聚氯乙烯)、ABS、PA(聚醯胺或稱尼龍)和PE(聚乙烯)。隨著現代化塑料工業的發展,高性能工程塑料也越來越多的在汽車上應用。
  工程塑料和高性能工程塑料
  工程塑料是指被用做工業零件或外殼材料的工業用塑料,是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優的可作為結構材料的塑料。工程塑料的主要特性是:密度??;比強度高;化學穩定性好電絕緣性優良;耐磨,具自潤滑性,可減低摩擦系數;耐熱性和尺寸穩定性高;抗沖擊、抗疲勞性能優良。
  工程塑料除了具備這些優異的性能,還可以采用通常的塑料加工方法加工成各種制品。近年來,工程塑料主要是通過增韌技術,嵌段共聚或幾種聚合物混煉成為高分子共混物,以增加品種和改進性能,使其抗沖擊強度更接近金屬。它與通用塑料并沒有明顯的界線,工程塑料最常見的種類主要有:聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚醯胺(PA,俗稱尼龍)、熱塑料性聚酯(PET、PBT)改性聚苯醚(PPO)等。
  特種工程塑料是指綜合性能更高,長期使用溫度在150℃以上的工程塑料。它具有:化學性能穩定,自潤滑性能良好,硬度、強度和比強度高,阻燃性、電絕緣性和尺寸穩定性好,相對密度和導熱系數小,品質輕,可塑性、材料性能適應性強,耐油、減震、
隔音效果出色等優異的性能,并且成本相對比金屬材料低等特點,未來在汽車上的應用會非常廣泛。

 

  高性能工程塑料有:聚醯亞胺(PI)、聚醚碸(PES)、聚碸(PSU)、聚氨酯(PU)。
  塑料在汽車制造上已經具有50多年的應用歷史,汽車塑料的用量是衡量一個國家汽車生產技術水準的標志之一。從20世紀70年代開始,汽車塑料的應用在從內飾件向外部飾件逐步擴展的發展歷程。大量使用塑料制品,以替代各種昂貴的有色金屬和合金材料,既可提高汽車造型的美觀與設計的靈活性,降低零部件加工、裝配與維修的費用,又可以降低汽車的能耗。在歐洲,車用塑料的重量占汽車自重的20%,而每輛德國車平均使用塑料接近300kg,占汽車總重量的22%。塑料在汽車上的應用數量日益增加,特別汽車內飾件對材料提出了更高的要求。利用塑料的質輕、防、吸振、設計自由度大的特點,現代汽車用塑料結構件取得了長足的發展,并且是今後的重點發展方向之一。
  汽車工業發展前景和對塑料行業的影響
  無論國內還是國外,汽車都是發展最快的工業行業之一,行業整體經濟效益指標呈現“井噴式”增長。汽車工業的迅速發展,拉動了汽車制造材料的旺盛需求,直接刺激了塑料工業的發展速度,塑料在汽車制造業中扮演著越來越重要的角色。
  消費者對汽車塑料應用需求
  內飾材料異味已引起消費者的廣泛關注,有無異常氣味已成為消費者購買汽車的一個重要參考依據。國家《乘用車內空氣品質評價指南》的推出,塑料產品的環保性能將面臨較大的挑戰,但是,很多國內的汽車公司已經開始針對汽車車內材料、安裝工藝的環保問題進行專題研究。鑒於國際知名汽車主機廠針對汽車內飾件所使用的材料都有嚴格的氣味、揮發性氣體的測
試標準,并且這些標準隨著消費者需求的提升而變得越來越嚴格。

 

  汽車的普及,消費者對於汽車有了更深入的了解,人性化、舒適性及安全性的要求也在與時共進,輕盈、節能、美觀、安全、環保成為時尚。由於塑料制品具有良好的性能、低廉的價格、多彩的顏色搭配,簡單的加工工藝,無疑能在滿足人們對汽車的要求中大有作為。
  汽車塑料使用比例日益加大
  在汽車工業領域大量使用塑料制品,以代替各種昂貴的有色金屬和合金材料,不僅可提高汽車造型的美觀與設計的靈活性,降低零部件加工、裝配與維修的費用,而且還可以降低汽車的能耗。塑料制品的用量反映了一個國家汽車工業的發展水準,德國每輛汽車平均使用的塑料制品已接近300kg,占汽車所用材料的22%左右,是世界上采用汽車塑料零部件最多的國家。日本每輛汽車平均使用塑料也達到了150kg左右,約占汽車材料消費總量的12%;甚至有一家日本公司開發銷售的新型汽車,除座椅外,車頂、裝潢材料、儀表盤等內飾件全部采用塑料制造。目前,汽車塑料制品應用的趨勢由普通裝飾件發展到結構件、功能,因而塑料原料的使用也由普通塑料(多用於汽車內飾件)擴展到強度更高、沖擊性更好的復合材料或塑料合金。 

  世界汽車塑料的發展趨勢
  從現代汽車工業發展的趨勢來看,對於材料性能的要求在不斷提高,而由此得出結論:結構材料技術也正在向高強度、高剛度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、高彈、高阻尼等性能大幅度提高的方向發展。高性能結構材料的不斷出現和廣泛應用,將會有力地促進新產品向體積小、重量輕、資源省、低能耗、低成本、高效率、高利潤的方向發展。

 

  目前,國外當前研究的方向有以汽車熱塑性塑料復合材料為主要課題之一。樹脂材料研究的重點是不斷提高材料的物理、力學性能;材料開發已從昂貴的特殊專用樹脂轉向低成本的普通樹脂新品種體系;自增強樹脂也是當前材料研發的一大熱點(如SR-PP),歐洲重點放在連續層壓成形和模壓成形材料上,而北美關注的是注塑成型材料。
  納米復合材料的研究和開發受到廣泛關注,主要有納米層狀二氧化矽、納米碳管來增強PA、PE、PVC,介面特性改善等等。納米增強纖維復合材料是目前新近興起的一種納米復合材料。歐洲目前正在研究利用納米碳管作增強體,開發阻燃、自增強SR-PP等高性能復合材料,如聚合物、鋼纖維等其他類型的增強體也受到關注。
  出於環保的需要,天然纖維增強熱塑性復合材料也是當前世界各國汽車塑料的一個重要研究領域。
  近年來,日本各大汽車廠商、材料生產商、相關研究機構和汽車部件廠商投入了大量的人力和資金,用於新型材料的研發。經常在國際展覽會上展示能夠大幅減輕重量的部件、新材料和新技術。他們基本上都是通過改變①材料、②形狀、③加工方法這三個途徑,減輕零部件品質。今年則提出了改用樹脂和泡沫等材料,在維持剛性的同時削減多余厚度,通過改進模具和思考新接合法節省現有部件的技術。
  日本東麗開發出了在車輛骨架等部分采用碳纖維強化樹脂(CFRP)大幅減輕了車重的電動汽車(EV)概念車“TEEWAVEAR1”。TEEWAVEAR1概念車為可上路行駛的車輛配置,各部件在制造時非常注重實用化。該車共計采用了160kg的CFRP,由此將鋼板用量減輕了550kg,是“適合量產的為熱可塑性樹脂”,該公司的目標是“在汽車設計領域掀起一場革命”。東麗公司將碳纖維定位為“戰略性擴大業務”,汽車是最有望大量應用這種材料的領域。計畫通過概念車
擴大汽車廠商對碳纖維的應用。

 

  日本帝人公司開發出了采用熱可塑性樹脂,用1分鐘時間便可成型CFRP(碳纖維強化樹脂)車輛骨架部件的量產技術,并公開了采用該技術制造的車體骨架。用CFRP成型的車體骨架為輕型車尺寸,重量降低到了采用鋼板時的約1/5,即47kg。部件個數為20多個。確保了骨架所必需的碰撞安全性及剛性。由於車輛地板下部確保了足夠的剛性,因而省去了中柱。帝人公司與美國通用汽車公司(GM)簽署了合作開發用於量產車的熱可塑性CFRP(CarbonFiberReinforcedPlastics,碳纖維強化塑料)部材產品的協定。
  CFRP(碳纖維復合材料)與鋼板及鋁合金相比,雖可大幅減輕重量,但因為成本高,此前只被用在賽車及超級車上。日本正在開發可快速且低成本制造CFRP的技術,RTM(樹脂傳遞模塑)成型工藝,RTM工藝可使高強度高剛性的熱塑性CFRP快速成型。通過成型後再向模具中注入樹脂,以及在強化纖維中不使用紡織品的改進措施,來降低成本。采用該工藝每月可生產數千個CFRP部件,成型品的成本也有望降至原來的1/5~1/7。另外,使用原來的預浸料也可在5~10分鐘內成型的技術也已誕生。
  美國和德國是最重視環保和廢氣排放的,也是高分子工程塑料在汽車上應用最多和研究最深入的國家。德國戴姆勒(Daimler)與德國巴斯夫公司(BASF)在法蘭克福車展(IAA2011,)上展出了共同開發的概念車“SmartForvision”。車輪采用樹脂制造,與采用金屬制造相比,每個輪子的重量減輕了3kg?;上缕焚|的減輕對於提高乘坐舒適性和(燃油經濟性)有著重要的意義。
  它的駕駛室骨架由CFRP(碳纖維強化樹脂)制造,基體(Matrix)是環氧樹脂。重量比鋼制減輕了一半。而且,座椅骨架為樹脂一體成形,采用了可集中加熱中間部分和腰部的座椅加熱器等,
從而減輕了座椅的重量。據稱通過加長玻璃纖維增強PA(聚醯胺)的強化纖維而增大了強度。強度和耐久性均達到了可應用于量產車的水準。

 

  雖然目前汽車新型材料技術水準已經有了質的提高,但是,新材料技術研發必須解決以下問題,才有可能推動在汽車上的應用:
  1、減少材料的種類:目前汽車上使用的材料(尤其是由高分子材料組成的塑料)高達上百種,材料生產工藝不同,通用性較差,不利於回收和回圈再利用。
  2、可回收再利用性:因為在汽車上大約有1/4的材料無法回收和再利用;其中:橡膠占1/3、塑料占1/3、玻璃及纖維合占1/3。
  3、低成本:制約汽車上使用新材料的重要因素就是成本,降低成本才是獲得在汽車制造業通往量產的必然趨勢。
  4、縮短制作周期,提高生產效率:新材料(如:主要用於車身較大面積的覆蓋板的高性能工程塑料、玻璃纖維增強材料和碳纖維增強材料)的加工工藝相對復雜,加工周期比傳統鋼制車身長。這也同樣是影響和制約汽車制造業采用這些新材料的重要因素。
  5、材料的安全性,應該滿足無毒、對人體無副作用的要求。
  6、基本滿足汽車全壽命周期要求,不會出現早期材質變化和老化等現象。
  我國汽車塑料的現狀及發展趨勢
  目前,我國汽車工業進入了一個高速增長的發展階段,汽車產銷量均已超過1800萬輛,居於世界第一位。在汽車產業快速增長的拉動下,一個圍繞汽車相關的高增長產業群業已形成,以塑料為代表的非金屬材料產業就是這個產業群之一。作為汽車上使用的重要材料,車用塑料的產值正在逐步增長,其技術發展趨勢日益受到業內的高度關注。在汽車塑料技術應用上,我國已采用如:氣體輔助注射成型技術、可熔型芯技術、三維和多層中空
成型技術、表面處理技術等等。但國內汽車用塑料材料無論用量、品種還是成型技術,目前還都處於比較低的水準。

 

  我國汽車塑料相關行業存在的問題主要有:自主研發能力差,只能跟在國外企業後面跑;產品水準低、缺乏競爭力;材料標準不一致、專用材料種類少;原材料品質不穩定;供需矛盾突出(需要的供應不上,供應的沒有需要);成型工藝、模具制造等相關工藝、技術問題還沒有得到很好的解決。不過,隨著新材料及新成型技術的出現,我國汽車工業所用的塑料制品消費量呈直線上升態勢。
  我國的塑料原料科研開發部門、原料生產商和汽車零部件生產商,加強產學研合作,抓住機遇,瞄準汽車塑料這塊“巨大的蛋糕”,加大研發深度、速度和力度,增加塑料原料的種類,尤其是開發可用作汽車功能件、結構件的品種,建立自我產品設計團隊(汽車零部件),提高模具開發和制造能力,建立高水準的汽車塑料零部件專業生產廠,為汽車制造業提供更多的選擇和支援。