聚碳酸酯（PC）有机玻璃的性能及其在轻量化车窗上应用的研究

杨文叶 王立 吴亮发 朱长春 李莉 顾鹏云

摘 要：聚碳酸酯（PC）以其独特的光学性能和优异的机械性能、质轻、设计自由度高等特性已经替代传统无机玻璃广泛应用于诸多车型的角窗、固定天窗等部位。本文制备了一款车型的PC有机玻璃后角窗，依据ECE R43标准对其光学性能、机械性能以及环境性能进行测试。试验结果表明，PC有机玻璃后角窗各项性能均满足或高于法规要求，并且较采用传统无机玻璃单车减重36.7%。此外，PC有机玻璃优异的抗冲击性能对乘员安全和行人保护具有重大意义。

关键字：PC有机玻璃；轻量化；光学性能；机械性能；环境性能

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）17-143-04

Abstract： Polycarbonate （PC） with its unique characteristic of mechanical properties， light weight， design freedom features， are instead of traditional inorganic glass and widely used in many areas of automobile. In this paper， a PC organic glass of angle window was prepared， and tested the optical properties， mechanical properties and environmental properties， according to the standard of ECE R43. The results showed that all the performances of PC angle window achieved the requirements of laws and regulations. Meanwhile， comparing to traditional inorganic glasses， PC organic glasses can reduce more than 36.7% of weight. In addition， the excellent impact resistance of PC organic glass had a significant effect on occupant safety and pedestrian protection.

KeywordS： PC organic glass； Lightweight； Optical properties； Mechanical properties； Environmental performance

CLC NO.： U462 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-143-04

前言

聚碳酸酯（PC）以其独特的光学特性和优异的耐热性、耐低温性、抗冲击性和质轻等特性[1]，正在对无机玻璃的传统地位进行挑战，逐渐成为汽车轻量化车窗理想的首选材料。1998年PC有机玻璃在Smart的全景天窗上首次问世，此后在多款车型车窗上得以量产应用，如Mercedes A/B/C/GL- class， Audi R8 GT， Porsche GT3RS， Citroen GS5， Honda Civic， Fiat 500L，Toyota Prius等。

欧美及日本PC玻璃的生产方式为双色注塑及淋涂硬化，模具开发难度大，成本高，周期长，良率低，故此生产方式的必然结果即高昂的模具费和高的成品单价[2，3]。因此，PC有机玻璃一直无法在国内汽车市场广泛应用。不过近年来，国内几家PC车窗生产企业在吸取欧美及日本生产经验的基础上，结合国内行业状况及自身优势，已经能够自主开发出低成本，高性价比并可满足车窗使用要求的PC有机玻璃。

传统的无机玻璃分为钢化玻璃和夹层玻璃（PVB膜）两类，而PC有机玻璃则由涂层和PC基材构成（图1）。与无机玻璃相比，PC有机玻璃具有以下优势 [4，5]：（1）设计自由度高，功能整合；（2）韧性好，抗冲击性能优异；（3）PC比重：玻璃比重=1.2：2.5，减重效果明显；（4）隔音效果优异，可有效阻隔由风等产生的高频噪声；（5）可回收，循环利用，环保。但是，PC有机玻璃在耐候性、耐磨性、抗UV性能以及刚度方面差于无机玻璃，需要依赖涂层技术得以改善和提升。

汽车车窗玻璃是重要的安全部件之一，因此作为汽车车窗玻璃的PC材质应满足相应的法规要求。目前，随着汽车技术的发展，各地法规的陆续健全，统计全球玻璃法规见表1。

根据欧美和日本的法规，考虑到事故逃生的整车安全需求，PC有机玻璃不能应用于前风挡玻璃；后角窗、后风挡玻璃窗、层叠式天窗固定部分和全景天窗是目前PC有机玻璃主要应用的部位[6]，应用实例列举见图2。

本文以某车型的后固定角窗为研究对象，由乙盛精密工业股份有限公司制备了PC有机玻璃后角窗并对其应用于汽车车窗的相关性能要求按照ECER 43标准进行检测，以验证PC有机玻璃在轻量化车窗上应用的可行性和突出优势。

1 PC车窗玻璃的制备及性能检测

1.1 PC有机玻璃后角窗制备工艺

根据某车型后角窗的3D数据（图3）制備PC有机玻璃后角窗，零件外形近似尺寸544mm×203.5mm×29.5mm，评估后设计PC基材厚度为4mm。

PC有机玻璃后角窗制备主要分为PC有机玻璃工艺和包边注塑工艺，具体流程如图4：

该车型的左、右后角窗采用无机钢化玻璃制备成型的重量为2.85kg；采用PC材质制备成型的重量只有1.803kg，较无机玻璃方案减重36.7%。

1.2 PC有机玻璃后角窗试验项目及试验标准

1.2.1 可见光透射比

依据标准：ECE R43 A3 9.1，平行光管的白炽灯光源，电压保证其颜色温度为2856±50 K，透镜经色差校正，焦距长≥500 mm，透镜孔径不超过f/20，调节透镜和光源之间的距离以获得基本平行的光束。

1.2.2 耐磨性

依据标准：ECE R43 A14 6.1，切取100mm×100mm的正方形样品，中心安装孔直接6.4±0.2mm，逆时针旋转65～75 r/min，每个砂轮上施加500g压力。

1.2.3 抗冲击性

依据标准：ECE R43 A3 2，测试样品待选10个，≥5块试样符合规定即合格，≤3块试样符合为不合格；4块试样符合时，追加6块，全符合为合格。

1.2.4 人头冲击测试

依据标准：ECE R43 A14 4，模型头的总质量10.0+ 0.2/-0.0 kg，在基础板的中心和重心安装加速计，冲击下落高度150cm，测量HIC值。

1.2.5 PVC包边粘接强度

测试在室温下进行，将试片切去后留下15mm长的一段，施加98N/10mm的拉力，拉力速度50mm/min，试片和铁片不可有分离现象。

1.2.6 耐光老化

依据标准：ECE R43 A3 6.4，长弧氙灯暴露装置提供连续的光和间歇的周期为 2 h 的水雾，分两个阶段：102 min试样接受光照，无水雾；18 min光照和水雾同时进行。在长弧氙灯下的总紫外暴露量为500MJ/㎡，2350h，1175个循环，幅照度为60W/m2。

1.2.7 燃烧性能

依据标准：ECE R43 A3 10，将试样水平固定在 U 形支架上，暴露于燃烧室低能火焰中15 s，火焰作用于样品自由端，确定材料燃烧速率。

1.2.8 耐潮湿性

依据标准：ECE R43 A14 6.4，将试样在封闭容器中垂直放置两周，该封闭容器内温度保持50±2℃，相对湿度95±4 %。

2 试验结果及讨论

2.1 光学性能

2.1.1 可见光透射比试验

依据ECE R43 A3 9.1可见光透射比试验标准，取3个试样进行可见光透射比试验，结果如表2。

透光性是用于玻璃材料的基本特性，在光线由空气层射入材料介质中时，该材料介质与空气界面间的损耗是影响材料透光性能的因素之一。由PC有机玻璃后角窗可见光透射比试验结果可以看出，PC材料的透光率>80%，与无机玻璃相当且高于法规要求，能够满足汽车对车窗透玻璃透光率的要求。

2.2 机械性能

2.2.1 耐磨性能试验

依据ECE R43 A14 6.1耐磨性能试验标准，取6个试样分两组，一组试样的外表面做500圈测试后测雾度变化率，另一组试样的内表面做100圈测试后测雾度变化率，试验结果如表3。

与传统无机玻璃相比，PC材质的耐磨性有明显差距，这也是PC有机玻璃固有的劣势，但是经过表面的涂层工艺可得到改善和提升以满足其应用于汽车车窗的使用要求。由表3显示，试验后样品外表面雾度变化率均值8.22%≤10%，内表面雾度变化率均值2.98%≤4%，均高于法规要求。

2.2.2 抗冲击性能试验

依据ECE R43 A3 2抗冲击性试验标准，分别取10个试样在室温和低温（-18℃±2℃）下，用重227g，直径38mm的硬质钢球，从3m的高度自由降落，测试结果如表4。

由PC有机玻璃后角窗抗冲击性试验结果可以看出，无论在常温还是低温环境下，10个试样均无破碎，表明PC板材优异的抗冲击性能。有研究表明[7]，PC的抗冲击强度比普通无机玻璃高250倍，一个重1kg的球状物体以540km/h的速度撞击15mm的PC玻璃不会击碎。因此，在汽车发生碰撞尤其是在翻滚的情况下，PC有机玻璃优异的抗冲击性能可以防止车窗撞击碎裂刺伤和乘员弹出窗外造成的人体伤害。

2.2.3 人头冲击性能试验

依据ECE R43 A14 4人头冲击试验标准，取6个试样测试结果如表5。

人头模型撞击用来评价车窗玻璃在钝物冲击下是否具有最低强度或粘结强度。试验的6个样品测试结果显示，试样既无穿透也没有被冲击成完全分离的打碎片，并且HIC值分布在404～465，均值430，显著低于法规要求HIC<1000。因此，PC有机玻璃在人头冲击方面能够满足应用于汽车角窗的要求，在人与车辆发生碰撞的时候，能够起到行人保护的作用。

2.2.4 PVC包边粘接强度试验

依据试验标准，取4个试样进行PVC包边粘接强度测试，结果如表6，试样测试前后的试样对比如图5。

PC有机玻璃后角窗PVC包边粘接强度测试结果显示，4个试样的最大拔脱力均值992.3N，明显高于目标要求≥600N；由样品测试前后的对比图可见，PC有机玻璃后角窗PVC包边无分离现象。因此，经与传统无机玻璃一致的包边工艺，PC有机玻璃后角窗PVC包边粘接强度完全满足法规要求。

2.3 环境性能

2.3.1 耐光老化性能试验

依据ECE R43 A3 6.4耐光老化试验標准，取3个试样测试透光率，然后进行耐光老化试验。在进行1250h，1175个循环后测试试样的透光率，试验结果如表7。

由试样结果可以看出，3个样品经耐光老化试验后表观无气泡、颜色、混浊、脱落等现象；试验前后的透光率比值均大于95%。因此，虽然PC材质的耐光老化性能不如无机玻璃，但是经过淋涂等工艺处理后得到改善和提升，能够满足应用于汽车车窗的法规要求。

2.3.2 燃烧性能试验

依据ECE R43 A3 10燃烧性能试验标准，取5个试样进行燃烧性能测试，结果如表8。

由PC有机玻璃后角窗燃烧性能试验结果显示，5个试样的燃烧速率均为0，满足目標要求≤110 mm/min。因此，经淋涂工艺处理后的PC有机玻璃是不燃制品，不存在燃烧方面的安全隐患，完全满足车窗玻璃在燃烧性能方面的要求。

2.3.3 耐潮湿性能试验

依据ECE R43 A14 6.4耐潮湿性试验标准，10个试样的测试结果如表9。

耐潮湿试验是人工模拟气候环境，主要检验车窗玻璃能否经受一定时间的大气湿气作用。试验选取10个试样在设定的温湿度环境作用后，外观均未发生气泡状或乳浊状的分解；试验前后透光率比值分布在99.2%～99.8%，均值99.7%，满足法规要求的≥95%。因此，PC有机玻璃优异的耐潮湿性能保证了车窗即使在长期的潮湿环境下也能保持其优异外观质量和良好的抗冲击性能。此外，光学性能损耗微小不影响乘员的视野和自然光感透射情况。

3 结论

随着PC材料性能的不断提升，各地法规的陆续健全，生产工艺的逐步优化，PC有机玻璃车窗技术日趋成熟，将成为汽车轻量化设计、节能减排、提升安全性能和美化造型的重要途径之一。本文研究的某车型PC有机玻璃后角窗在满足ECER 43法规要求的同时，实现整车减重1.05kg。PC材质优异的抗冲击性能有利于提高整车安全性能，其固有的耐磨性、耐候性等难点也通过涂层技术得到提升，所制PC有机后角窗玻璃的各项性能均能满足汽车车窗的法规要求，因此，PC有机玻璃能够推广且广泛应用于汽车角窗。

致谢

感谢乙盛精密工业股份有限公司为本文所研究的产品及其试验提供的技术支持！

参考文献

[1] 张学文. 高强度板汽车零件的工艺设计和模具开发[EB/OL]. [2010-09-03]（ 2011-12-18 ） http：//www.Newmaker. com/art- 38643. Html.

[2] 吕恩年，李洪利，司丹丹.聚碳酸酯的生产，应用及前景展望[J].河南化工，2011（ 1） ： 29-32.

[3] 张娜.聚碳酸酯（PC）在轻量化车窗上的应用[J].汽车工艺与材料AT&M，2014（9）：69-72.

[4] 陈宇宏，厉蕾.轻型防弹玻璃的结构研究[J].材料工程，2002（6）： 7-8.

[5] 高暮琰，王宏雁.聚碳酸酯材料在轻质车身中的应用[J].汽车工艺与材料，2010，2：46.

[6] 赵君，彭庆丰，方运舟，李敬华.轻量化及塑料玻璃在新能源汽车上的应用分析[J]，合肥学院学报自然科学版，2012（1）：57-61.

[7] 刘丹.聚碳酸酯在汽车车窗上的应用[J].汽车工艺与材料，2014（12）：9-12.