新型塑料在汽车上的应用

　　为实现轿车轻量化，提高轿车的舒适性和安全性，近年来各国轿车塑料制品的用量日益增多，目前每辆轿车上的塑料用量达9%左右。以合成树脂为基础原料的塑料、橡胶和纤维是在20世纪崛起并得到飞速发展的三大合成材料，其中塑料占有最为重要的地1.欧洲塑料制造协会报道1997年西欧汽车工业使用的塑料共达190万t；而根据美国塑料协会提供的数据，1999年北美汽车平均每辆车重1450kg，其中塑料为117kg，到2009年可望达到1999年用于北美轿车和轻型卡车上的塑料达200万t，有关专家预测到2009年，该数值将达到1988年全世界塑料总产量已达到91兆t，其体积产量接近于钢铁。到2000年末塑料的年产量约为200兆t.塑料工业发展之所以异常迅猛，其原因可概括为资源丰富、种类繁多、性能良好、成型简便、成本低廉、用途广泛等11.导师：雷雨成教授2新型塑料的特点一般来讲，应用于汽车构件中的新型塑料是指在塑料基体中加入纤维等增强材料制成的复合材料。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、棉纤维、尼龙纤维等。加入增强材料后，比如增强纤维，纤维比较均匀地分散在基体中，且在纤维方向增强基体，起主要的承载作用。基体的作用是把纤维粘接成一个整体，保持纤维的相对位置，使纤维能协同作用，保持纤维免受化学腐蚀和机械损伤，传递和承受剪应力，在垂直于纤维方向承担拉、压应力等。一般地，新型塑料中采用的增强材料不止一种，在各增强材料综合效应体现为正混杂效应时，可使各材料均有其显著的工程特征。在常用的增强纤维中，玻璃纤维具有较高的拉伸强度理论值（2000kgf/mm2），在<200*C和相对湿度80%内能有效保持其拉伸强度，此外还有良好的光学性能和电绝缘性能，吸湿性小，尺寸稳定性好，不燃烧，耐老化，弹性模量较高等特点；而碳纤维由于纤维在牵伸过程中，可增加晶体的取向度，使碳纤维的强度和模量增加，且具有耐高温、强度高和模量高的特点，碳纤维的理论强度可达104kgf/mm2，是电、热的良导体，其化学性能与碳很相似。在不接触氧的条件下，碳纤维有突出的耐热性；尼龙纤维也因其具有密度小，良好的导热、防油和防其他化学物品腐蚀和韧性，性能比较均匀等特点在汽车构件中应用也较广泛。

　　3汽车制造采用塑料的优点塑料合成物是由具有聚合矩阵的增强纤维组成。聚酯、聚乙烯和环氧树脂是通常选用的矩阵结构。合成物将金属的刚度、强度及塑料的轻质量、弹性和防腐性有机地结合起来。

　　根据美国合成纤维协会的数据，大约65%的合成物都是利用开式成型法，采用玻璃纤维和聚酯或乙烯树脂制成的。剩余的35%是采用高容量制造方法或者采用先进的材料，比如碳纤维或芳族聚酰胺纤维。碳纤维因其强度和摩擦性能主要用在汽车运动和航天工业上。而在汽车方面应用受到限制的主要原因是其价格昂贵。碳纤维在汽车上的主要应用是发动机和变速器内的运动件。福特的概念卡车的主要特征是在保险杠、挡泥板、轮罩和低部装饰板采用纤维B聚合物具有非同寻常的特性，但是他们也具有共性：对化学物有很强的耐腐蚀性能；绝热和电绝缘；很好的噪声、振动和平稳特性；优良的强度质量比；可给一系列产品提供材料。他们可以成型为汽车还可以和溶剂混合生成粘接剂和涂料。人造橡胶和有些塑料具有很好的弹性。聚合物可以具有没有限制范围的特性和颜色，采用大量的添加剂后，其内部特性能进一步得到增强。

　　新型塑料在汽车上的用量不断增加，主要是因为塑料的密度比较小，符合汽车工业通过减少车辆重量达到节约能源和有效利用能源的要求。另外，一些增强纤维如碳纤维的价格也在不断降低。反过来，汽车安全性能方面的要求也促进了塑料工业的迅速发展，主要体现在材料强度、循环利用、材料着色性能等方面的不断改善。

　　4塑料在汽车上的应用W 4.1外饰上的应用（见表1）用“拷贝和粘贴”方法使一种材料代替另外一种材料已经过时。过去热塑车身钣件失败或者不能达到预期的效果是因为没有将热塑的性能考虑进去。

　　最近的成功缘于在开发的初始阶段已经将新型材料的特性考虑进去了。

　　其实，塑料车身钣件比金属钣件更能承受冲击。

　　用于车身钣件最为普遍的三种塑料系统是：薄片成型合成物（SMC），它是一种聚酯薄片；反作用注射成型（RIM），它是一种将氨基申酸乙酯树脂注射成型的热固塑料系统；热塑系统，包括热塑聚烯烃（TPO）。这三种材料系统都采用玻璃纤维增加其刚度和结构。

　　表1新型塑料在外饰件上的应用应用领域采用材料性能对比车用电话和电视辅助天线聚酰胺混合物比传统的金属天线接收效果好塑料/金属合成格栅的开口加强件聚酰胺、异型钢板比过去的金属件轻40%，且有更好的完整性和强化指标引擎盖着色矿物质填充的PP和具有玻璃填充的PP结构做外层热稳定性提高尺寸变形小客货两用车辆增强注射成型材料云母填充的聚脲新车厢重量减少22.7kg，后挡板比钢制的轻6.8kg三门关闭式系统薄片成型合成比金属件轻15%，加工费减少25%仪表板离聚物和聚酰胺树脂组成的合成物多色性和韧性脂防划性，提供特有的光泽车身钣件颜色聚碳酸酯对苯二酸酯（PBT）和PC树脂的热塑合金混合物优良的碰撞强度，车身尺寸变形小，重量减轻50%，可提供7种之多的颜色4.2内饰上的应用（见表2）任何车辆的乘客舱内部和结构件的表面几乎都用塑料件。其中乘客舱使用的塑料几乎占所有车用塑料的56%.传统汽车的乘客舱也是车辆部件中花费最多的装置。塑料易于连接和成型等优势使它们能成为诱人的汽车内饰材料。尽管它只是与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）和聚亚安酯（PUR）以密封件和仪表板的形式存在，但现在已用于座椅和车门钣件。通用汽车已经宣布到2004年将用其他材料取代所有的新型车辆内饰的PVC材料，因为PVC材料易脆、卷曲、蜕色太快。前窗上的成雾现象也是因为它的可塑剂成分造成的。

　　应用领域采用材料性能对比仪表板和苯乙烯顺丁烯二酐（SMA）树脂实现结构单件，达到复杂形状和曲面要求，费用和重量减少，车辆的NVH指数减小座椅靠背的摆臂玻璃纤维增强尼龙66结构合成物在座椅靠背和倾斜杠杆装置方面节省1/3的费用车门装饰件2443材料非常经济，具有高碰撞强度，侧碰时能保护乘员的安全车顶骨架的A柱和C柱聚亚安酯泡塑料填料使变形扩散均匀，有利于碰撞时的能量吸收奥迪座椅装饰构件聚亚安酯成型的泡塑料提高座椅的舒适性和驾驶的安全性4.3引擎盖下面部件的应用（见表3）随着减少车重和增加汽车构件一体化的驱动力的发展，产品工程师和铸模人员将面对制造大型塑料构件的挑战，同时还要在铸模后保持其几何尺寸。

　　结构件上采用玻璃纤维增强其硬度。但是在注射铸模的过程中纤维按照聚合物的流动方向确定其布置方向。这将导致构件在冷却时会产生各向异性收缩和翘曲。在大型构件中流动的路径更加复杂，流动路径更长时，问题就更加严重。尽管可以在成型后用夹具使构件平整，这将导致应力集中，使构件翘曲和早期机械性能的失效。

　　引擎盖下的构件多采用尼龙66树脂作为基本的聚合物，因为它的性能比较均匀。比如说导热性能、防油、与其他化学物品合成及良好的韧性等性能。但是和其他半晶体材料一样，尼龙具有较大的收缩度，因此对于简单的玻璃纤维增强材料，在其铸模流动和流动的横截面上的性能大不一样。

　　最近，我国相继试验成功并开始投入生产的轿车塑料制品有轿车前后保除杠、大型水箱面罩、软硬塑料仪表板、高弹性聚氨酯模塑座椅、门内护板、门立柱盖饰板、软质方向盘、冷却风扇、散热器上下水室、PA油管以及塑料燃油箱和车轮装饰罩等难度较大的塑料制品。

　　表3新型塑料在汽车引擎盖下部件上的应用应用领域采用材料性能对比冷却系统的大风扇护室尼龙66树脂作为基本的聚合物良好的导热、防油和防其他化学腐蚀和韧性好等性能电子阻风门控制装置33%玻璃纤维增强尼龙66树脂将两个传感器连接起来散热器下部密封件基于聚烯烃的混合热塑人造橡胶具有塑料和橡胶的优点；采用废弃轮胎，节约资源减少费用叶片弹簧纤维增强树脂系统重量为传统的60%，舒适性好，耐疲劳，失效可识别。能有效地防止盐类物质、油渍、汽油和蓄电池酸性物质的侵蚀散热器风扇护罩、冷却剂容器、前后清洗剂容器采用吹气成型技术和纤维增强树脂系统减少发动机舱的空间，减少紧固件数量新型主动空气岐管玻璃增强的尼龙66重量减轻40%，费用也减少30%，复杂性减小，安装步骤少送风装置进气管热塑管道，脱芯成型造型简单空气过滤室盖10%玻璃纤维填料的尼龙66和205的矿物质填料，注射成型能减少曲轴，阀驱动装置和燃油注射器发出的噪声能对该构件进行声学优化油箱多层设计的突出塑料结构油箱集成了内部油压产生和控制、油量测量、蒸气收集、碳蒸气储藏、燃油停注、全方位燃油储存、燃油全程过滤等功能5新型塑料在汽车上应用的趋势美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车制造商已经揭开了采用多元的动力系统和减少车重的技术的战略序幕。技术的不断革新也促进他们在这些方面不断取得进展。制造技术和材料技术将继续使汽车制造商推出价格更便宜的汽车。以下是新型塑料在世界先进汽车上的应用趋势。

　　结合铝制管道截面和热塑车身截面以提供必要的车身硬度和加工操作特性。

　　材料实现回收，增强材料再利用的市场。

　　采用热塑材料制造的车身生成高度平滑的车身表面以及满足用户要求的个性化颜色。

　　采用缓冲热塑人造橡胶材料系统减少振动和冲击，调节变形，可优化其衰减性能或硬度。该材料还被注射形成隔音装置和其他设备。

　　料做正时齿轮皮带。

　　采用基于Hytrel技术具有防蠕变、碰撞和弯曲疲劳的特点的新型弹性纤维代替泡塑料座椅系统的座椅弹簧，提供低温弹性和高温保持力和防止多种化学物品、润滑油和稀释剂的腐蚀作用。