聚碳酸酯在汽车玻璃窗上的应用

史荣波

(奇瑞汽车股份有限公司 汽车工程研究院, 安徽 芜湖 241009)



聚碳酸酯在汽车玻璃窗上的应用

史荣波

(奇瑞汽车股份有限公司 汽车工程研究院, 安徽 芜湖 241009)

轻量化和环保是未来汽车发展的趋势。欧洲已经开始全面使用聚碳酸酯替代普通玻璃，使用于汽车的前后1/4(三角)车窗、固定侧窗、后固定窗、全景天窗和透明车身板部件。这一革命使汽车玻璃窗减重达50%，而且比玻璃车窗具有更大的设计自由度。介绍了聚碳酸酯玻璃窗的应用部位、商业化价值、面临的挑战与应对措施以及未来发展趋势。

聚碳酸酯； 玻璃窗； 轻量化； 应用

0 前言

欧盟机动车排放标准对聚碳酸酯工程塑料的应用起到了重要的推动作用。目前，国外许多车型采用聚碳酸酯替代钢化玻璃，应用在全景天窗、后三角窗、后玻璃窗等部位。由于聚碳酸酯较传统的玻璃材料质量轻，并具有光学性能好、设计自由度高、抗碎裂性能优等特点，已成为汽车玻璃窗的理想材料。

1 聚碳酸酯汽车玻璃窗的应用部位

目前国内还没有对聚碳酸酯玻璃窗出台相应的法规。根据北美、欧盟及日本的法规，从安全角度考虑，由于有事故逃生的需求，聚碳酸酯材料不能使用于前风挡玻璃窗和前排侧窗，但没有禁止使用于后排侧窗。三角窗、后玻璃窗、层叠式天窗和全景天窗是聚碳酸酯树脂玻璃的主要应用部位。另外，用聚碳酸酯材料替代整个金属车顶模块也是未来的趋势。表1是关于聚碳酸酯玻璃窗的法规及应用。

表1 关于聚碳酸酯玻璃窗的法规及应用

2 聚碳酸酯汽车玻璃窗的商业化价值

聚碳酸酯作为五大工程塑料之一，具有光学性能好、质量轻、抗冲击强度高，还具有设计自由度高及加工性能良好等特点，以其独特的造型设计及减重潜力应用于汽车玻璃窗，引起了汽车行业极大的关注。

2.1 轻量化

应对日趋严格的尾气排放法规，用聚碳酸酯替代玻璃，提供了一种新的轻量化解决方案。一块厚度为5 mm的聚碳酸酯工程塑料的面积质量是6 kg/m2，而钢化安全玻璃的面积质量是它的两倍[1]。与传统的玻璃车窗比较，聚碳酸酯材料的车窗可以减轻质量达50%左右[2]。图1为奇瑞汽车公司生产的五门MPV车型，其前门玻璃窗使用钢化玻璃，厚度为3.2 mm，侧门玻璃窗、固定玻璃窗采用隐式玻璃，厚度为3.5 mm；若采用厚度为4 mm的聚碳酸酯树脂玻璃替代，质量减轻16.2 kg，下降了43.9%。详细质量对比数据，如表2所示。

图1 五门MVP车型

2.2 造型设计自由度

聚碳酸酯树脂比玻璃具有更大的造型设计自由度，可设计成具有形状不规则的三维立体效果，并可以与汽车外蒙皮或其他车窗零件集成为一体。例如：原GE公司和韩国现代合作开发的现代QarmaQ概念车集车窗玻璃于前风挡玻璃于一体，同时该设计去掉A柱，将驾驶员的视野提高两倍以上，给人以崭新的视觉效果；以及沙比克与通用合作开发的新式Chevy Volt电动概念车的顶篷、后甲板和固定侧窗采用带有EXATEC保护层的Lexan聚碳酸酯，应用环绕式车窗玻璃设计，可使司机和乘客获得几乎360°的视野。

表2 树脂玻璃替代普通玻璃的质量对比

2.3 安全性

在塑料中聚碳酸酯的抗冲击强度最高。厚度为3.2 mm的带缺口的艾氏冲击试验片，在常温下具有高达780～980 J/m的抗冲击强度。温度低于-30 ℃，其破坏断裂由延性断裂向脆性断裂转变，即使在此温度下，其抗冲击强度也比其他树脂的高[3]，因此，聚碳酸酯玻璃窗在冲击破碎时不会产生尖锐的棱角，在汽车翻滚事故中，减少对人体的伤害。

3 聚碳酸酯汽车玻璃窗面临的挑战

聚碳酸酯树脂应用于汽车玻璃窗，面临着成本、性能的挑战。居高不下的设计、材料、模具开发的成本；材料表面硬度低，长期受风沙、雨刮的磨损易粗糙雾化，降低行车安全；树脂抗UV性能差，长期暴露在室外，导致老化黄变，影响车身美观。

3.1 高成本

来源于石油的聚碳酸酯树脂，价格高于玻璃。由于树脂玻璃窗仍然是小众化产品，工业化程度低，开发成本比较高，但随着用量的增加，价格必然降低。在汽车车窗生产的低成本模具解决方法中，国外Warwick Manufacturing Group(WMG)开发了降低批量生产车窗模具成本的方法。一种方法是采用铝制模具：先采用CNC设备进行粗加工，然后再进行精抛，接着用镀硬铬技术进行表面处理。铝制模具能进行20 000次成型，且加工速度比钢制模具的更快，而且成本降低70%。另一种方法是采用软钢模具：用高速CNC设备进行机加工，不必进行抛光。这种方法依赖于模内嵌入的薄膜以降低表面的粗糙度，仅需在模具的一侧进行抛光。这种模具能进行50 000次成型，成本比传统模具降低40%[4]。

3.2 耐候及耐磨损

聚碳酸酯树脂抗磨损较差，长期暴露在室外易黄变，特别是车窗玻璃。由于其高度的透明性，任何磨损擦痕及老化黄变都会影响外观。为了提高聚碳酸酯树脂玻璃的耐侯及耐磨损性能，首先需选用耐候、耐磨损级别的聚碳酸酯树脂，并在聚碳酸酯树脂表面进行涂层硬化处理，即将薄薄的保护层涂覆在聚碳酸酯树脂玻璃上， 这样就可以大大提高其耐候及耐磨损性能。采用热固化湿法涂覆或者涂漆方法，将丙烯酸酯树脂或者硅氧烷树脂涂覆在聚碳酸酯玻璃上，是目前最常用的技术。湿法涂层更耐紫外线辐射，但是制品的表面硬度往往无法令人满意，同时湿法涂覆使用溶剂，也增加了环境保护的成本， 因此，生产成本低、加工时间短、沉积速率高、环保的气相沉积技术，如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或者等离子增强化学气相沉积(PECVD)等方法正在取代湿法涂漆，特别适用大型汽车玻璃窗制品[4]。例如：录属于Sabic集团的 EXATEC公司开发了等离子增强化学气相沉积(PECVD)方法进行硅氧烷湿法涂覆的专利技术。与普通的硅涂层相比，耐磨损性、耐侯性、耐划伤性均得以提高。采用EXATEC 900 PC系统的树脂玻璃窗，10年后仍能保证99%的合格率,14年后仍能保证95%的合格率,如图2所示。

图2 聚碳酸酯树脂玻璃的耐候性试验

4 聚碳酸酯汽车玻璃窗的发展趋势

国外沙比克、拜耳、帝人等聚碳酸酯原材料供应商，以及PUWORLD，SUMMERE，EXATEC等一些树脂玻璃窗应用开发公司，为聚碳酸酯玻璃窗的应用提供了巨大的技术支持。在国内，沙比克、拜耳等原材料公司已经进入中国，他们有着和主机厂合作开发聚碳酸酯树脂玻璃的经验，正寻求专业的生产聚碳酸酯树脂汽车玻璃窗合作伙伴。在不久的将来,聚碳酸酯树脂必将大量使用，除了全景式天窗、透明车顶等越来越成为新的设计亮点之外，富有想象力的透明车身设计正演化成一种新的汽车设计时尚，将会变得越来越充满诱惑。同时设计人员已开始更多地从功能和审美角度开发出新的“透明”设计，车辆因此变得别具魅力，如司机可以在停车时透过车窗观看外面的景色，并线或转弯时可以透过A、B车柱观察路面，孩子们也可以从一个新奇的视角欣赏外面的世界。

5 结语

聚碳酸酯汽车玻璃的轻量化及造型设计自由度，是推动其发展的动力。国内汽车主机厂可以借鉴吸收国外的设计开发经验，协同材料、零部件供应商在三角窗、固定侧窗及后固定窗部件上，共同开发聚碳酸酯汽车玻璃窗，提高国内汽车轻量化技术，使节能减排达到更高的水平。

[1] 张忠军，龚漱娟，蔡文波. 聚碳酸酯汽车车窗的前景[J].汽车制造业, 2009(4): 49.

[2] 张忠军，龚漱娟，陈永光. 轻且透明的PC车窗玻璃[J].汽车制造业,2010(4): 38.

[3] 师洪俊，王强，丁风,等.合成树脂及塑料技术全书[M].北京：中国石化出版社.2006.

[4] 张忠军，孙洁，李静敏.先进的镀膜、共注射和涂层技术[J].汽车制造业, 2009(2): 32.

·研究与应用·

Application of Polycarbonate in Automobile Glazing

SHI Rong-bo

(Automotive Engineering Research Institute, Chery Automobile Co., Ltd., Wuhu 241009, China)

Light weight and environment friendly are the development trend of automobile in future. Nowadays, the common glass is being replaced by polycarbonate in Europe. It has been applied in the front and rear quarter windows, side windows, rear windows, panoramic roof and transparent body panels. This revolution makes the mass of automobile glazing decreased by 50%, and has more designing freedom than that made of glass. The applied position, business value, faced challenges and strategy, and future development trend of polycarbonate glazing are introduced.

polycarbonate； glazing； light weight； application

史荣波(1979—)，男，工程师，从事非金属材料的应用和开发

TQ 320

A

1009-5993(2016)02-0022-03

国家863项目 国产新型轿车轻量化材料关键技术研究，课题编号：2005AA331010

2016-03-07)