塑料復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用_馬鳴圖

1、第39卷第11期2011年11月化工新型材料N E W C H E M I C A L MA T E R I A L S V o l .39N o .11·1·作者簡介:馬鳴圖(1942-,男,副總工程師,從事汽車輕量化材料和相關(guān)成形技術(shù)研究欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍氥氥氥氥。行業(yè)述評塑料復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用馬鳴圖魏莉霞朱麗娟(中國汽車工程研究院股份有限公司,重慶400039摘要由于汽車工業(yè)的迅速發(fā)展,汽車產(chǎn)量和保有量的增多,帶來了油耗、排放和安全三大問題。論述了汽車節(jié)能減排是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢,輕量化是汽車節(jié)能減排的直接而有效的手段;介紹了汽車輕

2、量化意義和輕量化工程的實施方法。塑料復(fù)合材料具有比重輕、耐腐蝕,及很強的設(shè)計性和良好的工藝性能,是重要的輕量化材料;在汽車內(nèi)飾件、部分結(jié)構(gòu)件應(yīng)用塑料復(fù)合材料可減重60%以上。同時論述了汽車中應(yīng)用量較大的釜內(nèi)合金P P 塑料的研究進展和典型性能,這類材料在汽車輕量化和汽車用塑料單一化中展示了廣闊的前景。關(guān)鍵詞汽車輕量化,節(jié)能減排,釜內(nèi)合金P P 塑料A p p l i c a t i o n o f p l a s t i c c o m p o s i t e i n v e h i c l e l i g h t w e i gh t M a M i n g t u W e i L i x

3、i a Z h u L i ju a n (C h i n a A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e C O.,L t d C h o n g q i n g 400039A b s t r a c t T h e b r i e f c o n d i t i o n o f d e v e l o p m e n t o f c h i n a a u t o m o t i v e i n d u s t r y w a s r e v i e w e d.T h r e e

4、 p r o b l e m s :o i l c o n -s u m p t i o n 、e m i s s i o n 、s a f e t y w e r e b r o u g h t a b o u t d u e t o t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f a u t o i n d u s t r y 、t h e p r o d u c t i o n o u t p u t a n d v e h i c l e s t o c k i n C h i n a .E n e r g y s a v i n g a n d e

5、 m i s s i o n r e d u c t i o n i s n e c e s s a r y t r e n d o f v e h i c l e i n d u s t r y d e v e l o p m e n t .A e f f e c t i v e a n d d i r e c t m e t h o d a n d w a y i s A u t o l i g h t w e i g h t.T h e c o n c e p t ,s i g n i f i c a n c e a n d i m p l e m e n t a t i o n m e

6、 t h o d s h a v e b e e n i n t r o -d u c e d .P l a s t i c C o m p o s i t e b e h a v e s s m a l l p r o p o r t i o n ,g o o d c o r r o s i o n r e s i s t i n g ,f l e x i b l e d e s i gn p e r f o r m a n c e a n d b e t t e r t e c h -n o l o g y p r o p e r t y w h i c h i s i m p o r t

7、 a n t l i g h t w e i g h t m a t e r i a l .t h e a p p l i c a t i o n o f p l a s t i c c o m p o s i t e i n i n t e r i o r t r i m p a r t ,s o m e s t r u c t u r a l m e m b e r c a n r e d u c e w e i g h t a b o v e 60%.T h e r e c e n t r e s e a r c h p r o g r e s s a n d t y p i c a l

8、 p r o p e r t i e s o f P o l y m e r i z a t i o n f i l l i n g a l l o y P P e x t e n s i v e l y u s e d i n v e h i c l e w e r e i n t r o d u c e d i n t h e a r t i c l e a t t h e s a m e t i m e .T h e b r o a d p r o s p e c t f o r t h e a p p l i -c a t i o n o f P o l y m e r i z a t

9、 i o n f i l l i n g a l l o y P P a n d p l a s t i c s i m p l i f i c a t i o n u s e d i n v e h i c l e i s s h o w e d .K e y w o r d s v e h i c l e l i g h t w e i g h t ,e n e r g y s a v i n g a n d e m i s s i o n r e d u c t i o n ,p o l y m e r i z a t i o n f i l l i n g a l l o y P P

10、2000年以來,中國汽車工業(yè)進入了快車道,2009年中國汽車產(chǎn)量為1364萬輛,產(chǎn)銷量均居世界第一,2010年在世界金融危機的影響下,中國汽車產(chǎn)量達到1800萬輛,令世人刮目相看,汽車保有量接近8000萬輛。汽車產(chǎn)量的增多,保有量的加大,在給人們出行帶來方便和帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時,也產(chǎn)生了能耗、安全和排放三大問題。2010年中國石油產(chǎn)量為4.23億t ,進口2.4億t ,石油的對外依存度達55%。在石油消耗中,汽車是消耗石油的大戶,汽油消耗占國內(nèi)汽油總產(chǎn)量的85%;汽車柴油消耗占全國柴油消耗總量的35%,農(nóng)用車柴油的消耗占中國柴油總產(chǎn)量的11%,兩者占中國柴油總產(chǎn)量的46%。汽車工業(yè)發(fā)展的另外一

11、個問題就是排放,在大城市中汽車排放污染已占到城市大氣污染的80%,汽車的尾氣排放除少量的有害氣體之外,還有大量的溫室氣體排放,每燃燒一升汽油,將產(chǎn)生2.22.5k g 的C O 2;溫室氣體是近年來全球變暖、南北極冰層融化、氣候反常的一個重要因素。2009年10月,地球大氣層中C O 2含量已達到390p p m (×10-6,下同,而人類賴以生存的地球無反常感覺的大氣層中C O 2的最高含量為430p pm ,因此世界各國特別關(guān)注溫室氣體的排放。汽車工業(yè)的發(fā)展、汽車產(chǎn)量、保有量增多、運行車輛增多也帶來了交通安全問題。從2005年以后,中國每年死于交通事故的人數(shù)都超過10萬人,每年傷

12、亡人數(shù)超過20萬人,即百萬輛汽車死亡人數(shù)超過0.5萬人。隨著汽車產(chǎn)量的增多,這一數(shù)字還會增加。每年交通事故的損失巨大。因此如何提高汽車運行過程中的安全性和出現(xiàn)交通事故后減少對人身的傷害(被動安全性也是汽車工業(yè)所面臨的重大安全問題。擺在汽車工業(yè)面前的一個十分緊迫的問題就是節(jié)能減排,同時也提高汽車的安全性,汽車的節(jié)能減排,除了降低風(fēng)阻、提高發(fā)動機的效率、降低摩擦之外,一個最直接、最有效的方法和途徑就是輕量化。1汽車輕量化意義重大1.1汽車輕量化是節(jié)能減排的重要方法和途徑對一般乘用車而言,重量每減少10%,可節(jié)油7%8%,C O 2排放可減少6%7%,其他有害氣體排放可減少3%化工新型材料第39卷4

13、%;對大部分商用車而言,每減重1000k g ,油耗可降低6%7%。美國福特汽車公司的全順車在歐洲試驗結(jié)果表明,滿足歐標準條件下,每百公里油耗Y 與自重X 滿足以下關(guān)系:Y=0.003X+3.3434(1油耗的下降,意味著C O 2、氮氧化物(N O x 等有害氣體排放量的下降。對各種類型車的大量試驗結(jié)果表明,車輛的油耗與汽車的質(zhì)量成線性關(guān)系。圖1表示汽車運行阻力分析?？梢钥闯?在汽車運行的4種阻力中,只有空氣動力學(xué)阻力與汽車的自重?zé)o關(guān),其他3種阻力均與汽車自重呈線性關(guān)系;這進一步表明汽車輕量化可以有效減低汽車運行的阻力,從而降低油耗和排放。汽車減重10%,對不同類型車型油耗影響的計算機模擬結(jié)

14、果見圖2,可見減重可以有效提高汽車的燃油經(jīng)濟性。 1.2汽車輕量化是提高汽車動力性、舒適性和競爭力的必然選擇汽車輕量化后,在同樣的發(fā)動機情況下,由于汽車運行阻力的降低,而使發(fā)動機的動力性能提升、加速性能改善。同時,由于汽車輕量化而使汽車中附加的舒適性相關(guān)的附件、汽車電器、電子的增重與輕量化相平衡而不另外增加汽車的重量,即可在較高舒適性的前提條件下,保持節(jié)能減排。另外,汽車輕量化實施過程中將會采用一系列的新技術(shù)、新工藝、新材料,從而提升汽車的檔次,也提高了汽車的競爭能力。1.3汽車輕量化對相關(guān)工業(yè)具有很好的帶動作用汽車輕量化是高強度鋼、先進高強度鋼、輕量化的材料鋁合金、鎂合金、塑料復(fù)合材料的優(yōu)勢

15、集成,汽車輕量化將會促進這些新技術(shù)、新材料的發(fā)展,從而對汽車相關(guān)工業(yè)具有強大的帶動作用。1.4汽車輕量化是社會發(fā)展的需要當前,我國石油對外依存度已超過55%,石油的進口和儲備已涉及到我國的能源戰(zhàn)略安全,汽車輕量化有效的節(jié)能不僅可以減少大氣污染,還有利于我國石油的戰(zhàn)略儲備和能源安全,從而保證我國國民經(jīng)濟的正常運行和社會發(fā)展的正常需要。因此,汽車輕量化有利于滿足法規(guī)要求、可以使軸荷更好的分配、在不加重的前提條件下提高舒適性、有利控制C O 2排放,即可以降低摩擦消耗、降低有害氣體排放、改進行駛的動力學(xué)性能、提高行駛的舒適性、優(yōu)化動力對質(zhì)量的比。因此無論普通燃油車、混合動力車和新能源汽車都需要輕量化

16、?？傊?從社會發(fā)展的角度,從能源戰(zhàn)略儲備的角度以及環(huán)境和社會發(fā)展的需要,汽車輕量化都具有重要意義。2輕量化的實施途徑汽車輕量化的實施必須首先進行輕量化的概念設(shè)計,通過幾何形狀的優(yōu)化,包括采用優(yōu)化的輕量化結(jié)構(gòu)、去掉汽車零部件的冗余部分和采用空心結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生相關(guān)的輕量化;通過合理的選材,包括應(yīng)用高強度和超高強度的輕量化材料、低密度的材料,如鋁合金、鎂合金、塑料復(fù)合材料等,利用這些材料優(yōu)勢的集成,達到既輕量化又保證滿足各種法規(guī),特別是碰撞安全法規(guī)的要求。當采用各種高強度材料時,就會涉及材料先進的成形技術(shù),因此,通過采用先進的成形技術(shù),包括超高強度鋼的熱沖壓成形技術(shù)、塑料復(fù)合材料的氣輔成形技術(shù)、鋁合

17、金和鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)等,使復(fù)雜零部件成形和滿足零部件功能的要求,并取得輕量化。因此,汽車輕量化實際是各種高強度輕量化材料優(yōu)勢的集成,各種先進制造技術(shù)的優(yōu)勢集成,是設(shè)計、材料、制造工藝技術(shù)多個專業(yè)優(yōu)勢的集成。其輕量化的實施途徑見圖3。圖3汽車輕量化的實施路徑3塑料復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用3.1塑料復(fù)合材料對汽車的減重效果塑料復(fù)合材料具有密度小、比強度高、抗腐蝕性好、易成形從而降低了復(fù)雜零件的加工難度,塑料基的復(fù)合材料可設(shè)計性強,耐沖擊并可絕熱、不導(dǎo)電,因此,是汽車輕量化的重要材料。典型塑料的比重僅為鋼的1/7,和鋼相比,塑料復(fù)合材料減重的潛力示于圖4,圖中示出了零件等彎曲彎度和等彎曲強

18、度下塑料對鋼的減重百分數(shù)。3.2塑料復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用的零件示例塑料復(fù)合材料在汽車上有廣泛的應(yīng)用,包括內(nèi)飾件、裝飾件和許多結(jié)構(gòu)件,特別是近年來塑料復(fù)合材料正由內(nèi)飾件和裝飾件向結(jié)構(gòu)件發(fā)展,以減輕汽車結(jié)構(gòu)件目前的重量。典型的構(gòu)件有發(fā)動機的進氣歧管、各種內(nèi)飾的拉手、發(fā)動機油底·2·第11期馬鳴圖等:塑料復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用 圖4塑料復(fù)合材料減重的比例殼、汽車懸架的變截面板簧、發(fā)動機罩蓋以及部分車門的內(nèi)外板、發(fā)動機蓋板等。塑料復(fù)合材料目前在汽車上應(yīng)用的品種有P P 、P E 、P V C 、P A 、P OM 、P C 等,以及短纖維和長纖維增強的塑料復(fù)合材料。汽車用的工

19、程塑料大體可以分為兩大類,目前在不同乘用車車型上應(yīng)用的重量比大約為8%10%,商用車車型上1%2%。除了上述構(gòu)件之外,在混合動力車上,還有一個重要的應(yīng)用就是電池支架,在內(nèi)飾件中有儀表板、發(fā)動機的進氣歧管。汽車用塑料復(fù)合材料有熱固性和熱塑性兩類,考慮到汽車回收方便和法規(guī)的要求,目前熱固性塑料用量正在下降,由于熱固性塑料價格較便宜,特別是樹脂類的復(fù)合材料包括S M C 、 長纖維增長的復(fù)合材料在商用車上還有較多的應(yīng)用,如導(dǎo)流板、發(fā)動機油殼等。熱塑性復(fù)合材料用量正在擴大,重點包括:A B S 、尼龍和聚丙烯等?？紤]到汽車回收的方便,目前汽車塑料的一個重要的發(fā)展趨勢,是汽車用塑料的單一化,以便于管理,

20、擴大應(yīng)用,便于回收。3.3汽車用塑料復(fù)合材料的發(fā)展汽車用塑料復(fù)合材料的發(fā)展趨勢是單一化和擴大熱塑性塑料的應(yīng)用,重點是P P 塑料的擴大應(yīng)用。長期以來,汽車用P P 塑料的改性是通過共混料加入橡膠彈性體以提高P P 塑料的強度和韌性,但是在共混料摻入橡膠彈性體時,很難保證細顆粒彈性體分布均勻,針對這種情況,近年來,國外開發(fā)了釜內(nèi)合金。通過催化反應(yīng)在釜內(nèi)合金中加入橡膠彈性體,確保彈性體顆粒的分布均勻和顆粒細小,以及基礎(chǔ)料和共混料的性能的一致性。該類釜內(nèi)合金P P 塑料基礎(chǔ)料性能及一汽奔騰和吉利熊貓保險杠的性能、改性料的性能分別列于表1、表2、表3和表4。表1釜內(nèi)合金兩種P P 塑料的性能實驗項目材

21、料一材料二23.519.8斷裂標稱應(yīng)變36160拉伸彈性模量761366彎曲強度18.819.82彎曲彈性模量1243947.6懸臂梁缺口沖擊強度1242缺口沖擊破壞情況P P 無缺口沖擊破壞情況N N表2吉利和一汽釜內(nèi)合金改性材料的力學(xué)性能實驗項目一汽改性吉利改性18.117.7斷裂標稱應(yīng)變60490拉伸彈性模量755529彎曲強度31.529.1彎曲彈性模量17101300懸臂梁缺口沖擊強度3145缺口沖擊破壞情況P P 無缺口沖擊破壞情況N N表3一汽保險杠取樣的力學(xué)性能試驗項目保險杠(裸件保險杠(涂漆件拉伸強度16.416.9斷裂標稱應(yīng)變3040彎曲強度30.735.8彎曲彈性模量11

22、881333懸臂梁缺口沖擊強度33.430.7缺口沖擊破壞情況P P 無缺口沖擊破壞情況N 55(P 表4釜內(nèi)合金制作的吉利熊貓保險杠的性能性能指標單位熊貓保險杠技術(shù)要求原用材料釜內(nèi)合金基礎(chǔ)料釜內(nèi)合金改性料拉伸強度M P a 1716.619.817.7斷裂伸長率曲強度M P a 1926.319.8229.1彎曲模量M P a1100917947.61300懸臂梁沖擊強度(23K J /m2408.84245釜內(nèi)合金低溫沖擊斷口經(jīng)刻蝕后掃描電鏡組織形貌和進口料的對比,示于圖5和圖6,可以看出釜內(nèi)合金的彈性體分布細小、均與,這和釜內(nèi)合金的性能相一致。汽車塑料復(fù)合材料發(fā)

23、展應(yīng)用的另一趨勢是采用長纖維增長塑料的復(fù)合材料,以進一步提高復(fù)合材料的剛性和強度,代替價格較高的復(fù)合材料以制作汽車零部件。表5比較了長纖維增強釜內(nèi)合金P P 塑料和短纖維增強尼龍的性能?？梢钥闯?長纖維增強的P P 基本達到了短纖維增強尼龍的性能指標,但前者的價格較尼龍低很多,同時還可以輕量化10%。表5長纖維增強P P 和P A +30%P F 復(fù)合材料性能比較彎曲強度147彎曲彈性模量6647懸臂梁缺口沖擊強度17.812.1缺口沖擊破壞情況H H 無缺口沖擊破壞情況N N (C (下轉(zhuǎn)第111頁·3·第11期隋學(xué)斌等:離子液體中淀粉顆粒接枝醋酸乙烯酯的研究 表1偏光十

24、字消失法測試結(jié)果樣品2%偏光十字消失/50%偏光十字消失/98%偏光十字消失/原淀粉808489S t -V A c 接枝共聚物707480A M I M C l 處理淀粉7072783結(jié)論離子液體A M I M C l 對淀粉具有良好的溶解性,且有助于降低淀粉顆粒的糊化溫度。當木薯淀粉與醋酸乙烯酯的質(zhì)量比為3.0,引發(fā)劑濃度為22m m o l /L ,反應(yīng)時間為1h ,反應(yīng)溫度為50時,淀粉接枝醋酸乙烯酯的反應(yīng)效果最好,最大接枝率可以達到22%,接枝效率可以達到71%。離子液體中合成得到的淀粉接枝醋酸乙烯酯接枝產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)保持不變,仍然保持顆粒狀結(jié)構(gòu),但淀粉顆粒表面包上了一層“小碎片”,表

25、明淀粉接枝上了醋酸乙烯酯,而且離子液體中合成的淀粉接枝共聚物的糊化溫度較原淀粉有較大程度的降低。參考文獻1B r o c k w a y C E .G r a f t i n g o f p o l y (m e t h y M e t h a c r y l a t e t o g r a n -u l a r t o c o r n s t a r c h J .J P o l y S c i P a r t a ,1963,l 025-1039.2M i s r a B N ,R a m e s h D o g r a ,l n d e r j e c t K a u r ,e t a

26、l .J .J P o l ym s c i P o l ym C h e m E D ,1980,18:341.3柳明珠,吳靖嘉,岳功軒.醋酸乙烯酯與馬鈴薯淀粉接技共聚反應(yīng)J .蘭州大學(xué)學(xué)報,l 993,29(4:l 32-l 36.4彭毓華.馬鈴薯淀粉與醋酸乙烯酯接技共聚制生物降解淀粉塑料樹脂的研究J .山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1996,16(2:140-144.5D i c k e R.A s t r a i g h t w a y t o r e g i o s e l e c t i v e l y f u n c t i o n a l i z e d p o l y -s a c c h a r i d e e s t e r s J .C e l l u l o s e ,2004,11:255-263.6X i e H B ,L i S H ,Z h a n g S B .I o n i c l i q u i d s a s n o v e l s o l v e n t s f o r t h e d i s s o l u t i o n a n d b l e n d i n g o f w o o l k e r a t i n f i b e r s J .J o u