汽车轻量化背景下节能环保新材料的选用

刘志伟，孟洲渔，周小梅，周 勇

(南京聚隆科技股份有限公司 江苏 南京 210061)

1 汽车轻量化的研究意义

目前，人们越来越重视汽车各方面综合性能，同时为了响应国家号召，现代汽车发展趋势是实现轻量化[1]，这样汽车降低了燃油消耗量，节约资源，同时减少尾气排放量，从而保护环境。为实现汽车轻量化，首先要从汽车材料的改进研发出发，研制低成本、高强度性能的轻质汽车材料，从而节约能源、绿色环保。汽车技术发展离不开汽车材料的发展，符合国家标准的节能环保新材料的研发对汽车工业发展起到重要作用。研究表明[2]，汽车整车重量减少 10%，燃油消耗量可降低 6%～8%，尾气排放量也相应减少，同时汽车轻量化的实现增强了汽车加速性能，而且改进了车辆控制稳定性、噪音、振动等各方面的综合性能。整车轻量化是实现绿色环保的有效手段，对于有害气体的控制，即整车 VOC[3]控制，对实现现代社会绿色环保有重要影响。当前，国内实现汽车轻量化的新型材料产业蓬勃发展，同时在汽车制造行业逐渐被认可应用。据统计[4]，汽车车身、底盘(含悬架系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的 65%以上。其中车身内外覆盖件的重量又居首位，因此减少汽车自身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重效应。综上所述，为实现汽车轻量化，必须从车身制造材料方面入手，寻找研发低成本、低密度、高强度和绿色环保轻质材料，如塑料聚合物材料、陶瓷材料等。

塑料聚合物材料在降低成本的同时，既可以降低整车质量，又绿色环保，因此是汽车首选的最多的非金属材料，相关技术也比较成熟，塑料应用也非常广泛。塑料[5]材料，其密度较小，从而重量较轻，而且材料本身强度性能高，热稳定性强，耐腐蚀性强，成本相比金属较低，在遇到撞击时可以充分吸收能量，加工工艺比较简单，用作汽车内饰材料比较美观、舒服，对整车的安全性、舒适性和外观都有提升。本文着重介绍汽车保险杠薄壁材料、以塑代钢材料、绿色环保材料的发展。

2 保险杠薄壁化材料

目前，塑料保险杠[6]主要通过注塑成型生产，采用的主流材料为改性聚丙烯(PP)。欧美主机厂重点关注安全系数因素，量产车型保险杠壁厚一般为2.7～3mm，正在向 2.5mm发展。日系车的塑料件侧重关心燃油消耗量的减少，从而节约能源，主机厂从一开始就倾向于保险杠薄壁化，现在保险杠壁厚绝大多数为 2.2～2.5mm，同时少量制件经过多重改进设计，壁厚已达 2mm，且仍有下降趋势，多是与材料供应商同步开发，研发阶段车型的保险杠壁厚甚至达到1.8～2mm。国内主机厂量产型保险杠壁厚多为3mm左右，而已知的国内自主品牌汽车的塑料件最薄壁厚为2.6mm。实际上，主机厂对保险杠制品的要求不断变化，2003年至今，对于保险杠的要求，主要集中在低成本、壁厚减薄至 2～3mm、能快速成型、实现轻量化的同时满足高强度等几个重点方面。

2.1 高流动性

壁厚减薄，熔体充模时要受到更大的阻力，同时，熔体冷却速度加快也容易导致充模不足，这说明，在相同材料的前提下，需要较大的压力才可以注满薄壁型腔，所以材料的高流动性对制件加工有很大的影响。高流动性的材料，在加工注塑壁厚减薄的材料工艺方面减少了一定的困难，如对注射压力、成型温度和模具温度等条件的要求下降，同时缺胶问题基本不会出现。

2.2 高模量

壁厚减薄会导致制品刚度下降。汽车保险杠喷涂后的外观效果要求限制了其背面做加强筋的结构设计。因此，从综合性能方面考虑，想要制品的强度足够高，材料的弯曲模量必须相应增强，这样才可以保证制品满足高强度的要求。

2.3 高韧性

汽车保险杠属于被动安全件，是汽车的安全防护装置之一，此外，在汽车与行人发生碰撞事故时，保险杠还可以起到一定的保护行人的作用。因此，无论是传统保险杠还是薄壁保险杠都要求材料具有高韧性。通常用材料的冲击强度表征其韧性，传统的保险杠材料冲击强度一般要求在 35kJ/m2以上，更严格的要求在40kJ/m2以上；薄壁化材料的冲击强度要求有所下降，但通常也在30kJ/m2以上。

薄壁保险杠所用材料具有高模量、高韧性和高熔指的特性。其中，高模量是为了满足制件减薄后的刚性要求，高韧性是为了满足零件碰撞吸能和无脆片飞溅方面的要求。另外，在壁厚减薄的前提下，材料的加工性能必然要求更高，对此高熔指也成为一个必要条件。目前，国内自主品牌已在保险杠薄壁化方面有了应用实践，某些车型已经量产，但基本壁厚大多在2.5mm阶段。随着应用的成熟以及轻量化发展趋势的推动，一些车型将朝着壁厚 2.2mm 甚至更薄的方向发展，这对提升 PP基料的水平和改性技术提出了更高的挑战，如采用综合性能更好的PP、弹性体以及复配型的高强度填充体系。

3 以塑代钢材料

复合材料尤其是碳纤维复合材料[7]，在汽车技术发展方面实现汽车轻量化应用非常广泛，给传统汽车设计理念提供了一种新的思路，同时也给制造技术带来一定的影响，如汽车车身制作，冲压、焊装、涂装和总装等传统制造工艺、管理模式可能出现彻底的改变。复合材料密度相对较小，自身强度性能高，热稳定性好，耐腐蚀性强，抗振效果明显，耐冲击，同时加工工艺成熟且容易，制件既安全、舒适，又设计美观。同时满足低成本、汽车重量减轻、高强度要求等方面，综合性能比较几乎可以超过铝材。

4 绿色环保材料

随着汽车工业的发展，环保及车内空气污染潜在的危害越来越受到消费者的关注，这也是各大汽车主机厂亟待解决的行业难题。内饰部件的挥发性有机化合物[8]是影响车内空气的主要原因之一。大多数内饰部件中都含有一定量的挥发性有机化合物，主要包括甲醛、乙醛、丙烯醛、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯等物质。当气温达到一定高度时，这些挥发性物质就会释放出来，产生令人不舒服的气味，甚至引起头疼，对身体造成伤害。

因此大量的研究工作正致力于提高PP复合材料的抗冲击性能和低散发性能，以此来制备高强度、低散发的环保汽车内饰复合材料，例如选用合适的增韧剂、填充材料、偶联剂等其他加工助剂对 PP材料进行填充、增韧共混改性，或通过改变挤出工艺条件、添加吸附剂等方法对PP制品的VOC和气味进行调控。制备聚丙烯汽车内饰复合材料的方法在国内外有相关报道，Trassl等[9]提出了一种基于泡沫颗粒的超轻汽车内饰件概念，这种具有多材料系统的汽车内饰件将更轻，但未对汽车内饰散发性能进行研究。Chu等[10]研制了一种低 VOC含量 PP材料，同时对其在加工工艺技术和在汽车内饰中的应用进行了一系列的研发，指出制备生产材料时，采用高质量、高纯度的母料和助剂，运用新型聚合技术，这样可以从根本上对所生产的聚合物中的挥发性有机化合物含量有所控制；对于生产加工来说，在基体材料中添加高效的气味吸附剂和萃取剂，聚合物基体中具有气味的有机化合物几乎很好地被吸附。Yang等[11]则研究了 PP/POE共混物在冲击和高速拉伸实验中的脆韧转变，揭示了增韧剂POE对共混物强度的影响，对制备高强度的PP复合材料提供理论基础。李英平等[12]研究了车用聚丙烯改性材料气味控制相关技术，结果表明车用聚丙烯材料的气味性要得到有效降低最好的方法就是在基体材料中添加除味剂进行复合除味。潘瑞琦等[13]重点关注了聚丙烯气味及挥发性有机物受助剂因素的影响，主要通过添加不同的抗氧剂、过氧化物、光稳定剂、化学除味剂和气味吸附剂等助剂，研究 PP气味和 VOC的不同变化、不同影响，给生产加工低散发PP材料提供了重要的新思路。

5 总 结

汽车轻量化目前主要实现方式有结构优化设计，通过先进的 CAE分析技术，优化产品设计结构；新型材料的选用，如高强度钢的应用，碳纤维增强复合材料等新材料的以塑代钢；先进的成型技术，如微发泡注塑工艺等。融合了材料设计、结构设计、工艺设计的一体化设计，降低整车零部件重量并保持零部件的强度及可靠性。实现汽车轻量化的综合指标是减重、环保、降耗、安全、舒适，但必须确保随着汽车产品自身重量的降低，汽车综合性能得到增强。轻量化和绿色环保是一项涉及基础理论、工程设计、工厂制造、实践验证的内容丰富、涉及领域广泛的课题，必将经历一个努力的探索过程。汽车将在不远的将来，以清洁、强大、轻量的崭新形象引导新一代的潮流。