基于材料對社會發(fā)展的作用,人們已經(jīng)把信息、能源和材料技術(shù)并列為現(xiàn)代文明和生活的三大支柱,其中,材料又是能源和信息技術(shù)的基礎(chǔ)。衡量一個國家的科技水平,往往也體現(xiàn)在材料技術(shù)的先進與否。汽車制造業(yè)作為全球最大的產(chǎn)業(yè),被社會各界稱之為“高新科學(xué)技術(shù)試驗場”,在這場材料技術(shù)進步中將會當仁不讓地繼續(xù)扮演重要角色。
新材料技術(shù)研發(fā)必須解決以下問題,才有可能推動在汽車上的應(yīng)用:一是可回收再利用性。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;無法滿足與循環(huán)經(jīng)濟和環(huán)保的要求。
二是減少材料的種類。目前汽車上使用的材料(尤其是由高分子材料組成的塑料)高達幾十種,材料生產(chǎn)工藝不同,通用性較差,不利于回收和循環(huán)再利用。
三是低成本。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(yè)通往量產(chǎn)的必然趨勢。
四是縮短制作周期,提高生產(chǎn)效率。新材料,如主要用于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(fù)雜,加工周期比較長。這也同樣是影響和制約汽車制造業(yè)采用這些新材料的重要因素。
可實現(xiàn)輕量化的材料
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備質(zhì)量,以此來改善燃油經(jīng)濟性,同時減少廢氣排放的污染。可以實現(xiàn)輕量化的材料種類非常多,金屬材料有高強度鋼板、新型鑄鐵工藝、合金材料(鋁、鈦、鎂及稀土金屬等)、粉末冶金材料等;非金屬材料則有工程塑料、碳/玻璃纖維復(fù)合材料、鋁基復(fù)合材料、蜂窩夾層材料、橡膠材料等,其中,工程塑料在汽車上的應(yīng)用最為廣泛。
從全球看,工程塑料正在向高性能、低成本及綠色化方向發(fā)展。技術(shù)突破多以材料的高性能化、多功能化、智能化為目標,從而降低生產(chǎn)成本、延長使用壽命,提高產(chǎn)品的附加值和市場競爭力。汽車是工程塑料應(yīng)用較多的領(lǐng)域,大概占14%左右。用工程塑料代替各種昂貴金屬材料在汽車上廣泛應(yīng)用,可大幅度地降低車輛裝備質(zhì)量,同時還提高了汽車設(shè)計的靈活性和造型的美觀性,降低了零部件加工、裝配過程的費用。
據(jù)長城汽車汽車材料工程研究院宋艷嶺介紹,目前,非金屬材料占車身總重約30%~35%左右,共計約350~400Kg;其中,塑料材料130~150Kg,彈性體材料50~70Kg。而且,隨著車型檔次提高,工程塑料應(yīng)用增加。如:ABS及其合金和改性PP材料主要應(yīng)用于內(nèi)外飾零部件,隨車型價位增加,ABS及其合金應(yīng)用比例逐漸增加;PA材料主要應(yīng)用于動力、底盤零部件及結(jié)構(gòu)件,約占整車塑料的20%,對聚酰胺而言,汽車工業(yè)是最大的消費市場。;其他類塑料材料(聚酯類、POM、PC等)主要應(yīng)用于電子電器零部件及結(jié)構(gòu)件,約占整車塑料的15%左右。
工程塑料在汽車的具體應(yīng)用案例也不勝枚舉。如荷蘭皇家帝斯曼集團帝斯曼AkulonUltraflow聚醯胺6注塑生產(chǎn)的發(fā)動機油底殼顯著減輕汽車重量。標致508將是首個受益于帝斯曼創(chuàng)新解決方案的車型。新型塑料油底殼比原先使用的金屬油底殼輕60%。新型油底殼選用了AkulonUltraflowK-FHG7品級,一款35%玻纖加強聚醯胺6材料,該材料具有很高的流動性和熱穩(wěn)定性。
歐洲一家整車廠商正將來自贏創(chuàng)的VESTAMID®HTplus聚鄰苯二甲酰胺(PPA)材料應(yīng)用于變速桿零件的批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的變速桿組件是由金屬制成的。PPA對離合器系統(tǒng)中通常使用的潤滑劑和汽油具有防滑特性,除具有較高的耐化學(xué)性,由制成的模件還具有極高的尺寸穩(wěn)定性和卓越的機械性能,如硬度和拉伸強度。
塞拉尼斯公司的高性能Fortron聚苯硫醚塑料(PPS)正被用于大陸集團研發(fā)生產(chǎn)的協(xié)助安全駕駛的平視顯示器,該塑料堅硬且耐高溫,具有極小的容許誤差,能實現(xiàn)各種組件的精確尺寸。
另一方面,汽車新技術(shù)的發(fā)展也推出工程塑料的發(fā)展。如近年汽車發(fā)動機小型化的趨勢使得發(fā)動機周邊材料對耐溫性的要求更高,推動了高耐溫工程塑料的研發(fā)熱潮。
朗盛公司在K2013上推出兩種Durethan聚酰胺系列的熱穩(wěn)定體系,即XTS1和XTS2,主要特點是將這些高性能熱塑性塑料的連續(xù)使用溫度提高60℃以上。首款XTS1材料牌號是聚酰胺6DurethanBKV30XTS1,其長期工作溫度高達200℃。該材料在發(fā)動機室中的可能應(yīng)用場合包括導(dǎo)風(fēng)管、進氣管,以及承受高熱應(yīng)力的其他車身附件。XTS2系列產(chǎn)品的長期工作溫度甚至高達230℃。
材料科學(xué)正在向復(fù)合材料的方向發(fā)展,通過一定的技術(shù)手段和工藝把不同種類和性能的材料復(fù)合在一起,取長補短,揚長避短,有可能會獲得比單一材料性能更強的復(fù)合體材料,如玻纖/碳纖塑料等復(fù)合材料的應(yīng)用,在汽車領(lǐng)域也不例外。
巴斯夫公司也朝復(fù)合材料方向邁出了第一步—Ultracom,這一廣泛融合的產(chǎn)品與服務(wù)組合的創(chuàng)新在于連續(xù)纖維增強半成品層壓板,再加上巴斯夫聚酰胺(Ultramid)產(chǎn)品系列中的包膠注塑改性材料,以及一個面向部件生產(chǎn)的完整開發(fā)與服務(wù)平臺。巴斯夫通過Ultracom這一產(chǎn)品包進入汽車復(fù)合材料的半成品零部件市場。重點應(yīng)用在以復(fù)合材料制成的車身和底盤部件,與鋼材相比,最高可實現(xiàn)減重60%。巴斯夫預(yù)期,如果發(fā)展良好,到2025至2030年,復(fù)合材料元件的市場規(guī)模將達到約20億歐元。為了積極參與并促進市場的形成,巴斯夫計劃在未來三年內(nèi),在熱塑性和熱固性復(fù)合材料領(lǐng)域投入數(shù)千萬歐元用于研發(fā)。
電動汽車的出現(xiàn)也對車用材料提出了新訴求。從整車設(shè)計的思路出發(fā),電動汽車設(shè)計應(yīng)該重新考慮車輛的重心,載荷的分布,動力電源和驅(qū)動裝置的位置,而幾年前我所提出的汽車設(shè)計減量化的概念現(xiàn)在可以得到具體的體現(xiàn)。
事實上,塑料替代金屬除了輕量化之外,還可以降低汽車傳動件之間的摩擦力,特別是與金屬(鋁、銅)的表面摩擦,即能降低摩擦系數(shù),又能提高密封性。實現(xiàn)更好的耐磨性;同時改進設(shè)計的柔韌性和零部件集成度;提高安全性、舒適性和燃油效率以及更好的密封隔噪效果。有數(shù)據(jù)顯示:幾乎70%的設(shè)備損壞是因各種形式的磨損造成的。而汽車摩擦損耗占整個車體能量損耗的48%左右。因此,塑料為汽車帶來的好處,遠遠不只是單純的輕量化。
減量化從設(shè)計開始
減量化必須要從結(jié)構(gòu)方面考慮,它是一種革命性的設(shè)計手段,本著功能集中的設(shè)計原則,減小體積和外部尺寸,使結(jié)構(gòu)更加緊湊;盡可能的減少零部件的數(shù)量,同樣是以不犧牲車輛性能為前提。
現(xiàn)代汽車大量采用新型材料,傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法不再適用。
采用形狀優(yōu)化設(shè)計法設(shè)計的車型零件數(shù)已可以從400個減少到少于100個,質(zhì)量減輕25~30%,最多可使裝備質(zhì)量降低500kg,可看出這種設(shè)計方法的巨大潛力。采用先進加工技術(shù)和先進工藝,實現(xiàn)零部件一體化、加工技術(shù)復(fù)合化、多種材料一體化。
汽車是一個復(fù)雜的機械產(chǎn)品,由功能各不相同的幾個基礎(chǔ)部分、幾千個零部件組成,使用的材料種類也高達上百種,需要汽車零部件制造商、材料制造商共同協(xié)調(diào)和參與
(關(guān)鍵字:塑料 汽車 銻)