塑料在汽车轻量化中的应用

随着汽车工业的迅猛发展，2019年我国汽车保有量达到了2.6亿辆，汽车保有量的急剧增加，导致对能源的需求日益增多。尾气排放是造成雾霾的因素之一，能源问题和环境问题已经成为汽车工业发展所面临的主要问题。研究表明，降低汽车质量能够有效降低油耗以及排放量，整车质量每下降10%，油耗下降6%～8%，排放量下降4%～10%，在保证汽车安全性能的基础上，轻量化已经成为汽车工业发展的重要课题［1-3］。本文主要综述了汽车轻量化的意义和现状，主要从外饰件、内饰件、车身覆盖件、车窗及功能结构件等方面阐述了塑料在汽车轻量化中的应用。

1 汽车轻量化的意义

随着世界各国对环境保护的要求日益增高，各国政府纷纷制定相关法律法规，促进节能减排。我国提出2020年汽车燃料油消耗量要达到0.05 L/km，这对汽车企业提出了更高的要求。汽车轻量化是降低油耗，达到节能减排的有效手段和方法。统计结果表明，汽车每减重100 kg，百公里油耗可降低0.4 L，二氧化碳排放量可减少1 kg。与提升动力技术相比，汽车轻量化技术的投入相对较少，降低燃油消耗成效更显著。另外，汽车轻量化有助于提升汽车的安全性能。理论上，汽车碰撞时产生的冲击力与汽车的质量成正比。在同等条件下，汽车越轻，碰撞时产生的冲击力越小，车身结构的变形、侵入量和乘客受到的冲击加速度越小，汽车对乘客的保护性能越好、越安全。从社会的发展趋势来看，具有高燃油经济性和环保特点的新型汽车是汽车工业提高自身核心竞争力的现实需求［4-6］。

2 汽车轻量化的现状

为解决环境和能源危机问题，各国政府开始严格控制汽车尾气排放标准。欧盟、美国、中国到2020年燃油汽车经济性较2015年均需提高42%左右。要达到这个目标，整车轻量化是主要的技术路线［3］。应用轻量化材料是汽车工业发展的趋势，塑料、碳纤维、铝合金、镁合金等是汽车企业使用较多的轻量化材料。从图1可以看出：德国的汽车轻量化材料应用占比为34%左右，是全球使用轻量化材料最多的国家。德国的巴伐利亚机械制造厂股份公司（宝马）、奥迪公司，美国的电动车及能源公司（特斯拉）、通用汽车公司、福特汽车公司，日本的丰田汽车公司、本田株式会社是目前全球汽车轻量化材料使用比例相对较高的汽车企业。我国汽车轻量化分两个阶段实施。2014—2017年，国产汽车实现减重8%；2017—2020年，实现减重7%。国内汽车材料目前仍以高强钢为主，伴随着先进制造技术和材料的发展，应用铝镁合金、“以塑代钢”依然是未来我国汽车轻量化发展的主要方向［3，5］。

图1 部分国家轻量化材料应用占比Fig.1 Share of lightweight materials in several countries

3 塑料在汽车轻量化的应用

塑料及其复合材料因柔韧性较好、耐化学药品腐蚀、绝缘性好、单位质量的塑料抗冲击性也不亚于金属，在汽车工业得到广泛应用。目前，应用在汽车上的塑料主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚酰胺（PA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚甲醛（POM）等。我国车用塑料消费量及预测见图2［6-9］。

图2 我国车用塑料消费量及预测Fig.2 Consumption and outlook of automobile plastics in China

塑料广泛应用于汽车的内饰件、外装件、车身、车窗及结构件［6］。PP主要应用于保险杠、仪表盘、门内饰板、空调零部件、蓄电池外壳、冷却风扇、方向盘等；PE主要应用于内护板、地板、油箱、行李架、刮水器、扶手骨架等；PA主要应用于散热器盖、衬套、齿轮、皮带轮、气缸头盖、水泵叶轮等；ABS树脂主要应用于仪表壳、工具箱、扶手、散热格板、变速箱壳、内护板、反射镜壳体等；PC主要用于保险杠、前端板、车门把手、挡泥板、前灯等；PBT和PET主要用于保险杠、反射镜外壳、车外部把手、安全气囊通电部件、雾灯、音响喇叭、顶棚等；POM主要用于加载齿轮、燃油系统、电气设备、轴承、衬套等。

我国每辆经济型轿车塑料用量为50～60 kg，中型载货车塑料用量仅为40～50 kg；重型货车可达80 kg左右。我国中、高级轿车大部分为发达国家引进车型，汽车塑料的应用量基本与发达国家20世纪90年代水平相当，为每辆车100～130 kg，因此，塑料在我国汽车上的应用还会更加广泛［9］。

3.1 外饰件

汽车外饰件包括保险杠、进气格栅、雨刮器、车灯、门把手、门锁等。保险杠是使用塑料最多的外饰件，常用材料有改性PP、片状模塑料（SMC）、玻璃纤维毡增强的热塑性聚合物（GMT）等。保险杠主要由防撞梁、缓冲材料和外壳构成，大部分防撞梁现已采用SMC，GMT等材料，缓冲材料又称为保险杠内衬，车辆在低速碰撞时可以对汽车和人员起到保护作用，常用的保险杠吸能缓冲材料主要是发泡PP。轿车的前后保险杠壳体材料要求抗冲击性好、流动性高、尺寸稳定性好、耐损伤性好等，一般分为软质材料和硬质材料。其中，软质材料主要为聚氨酯，通过反应注塑成型工艺制备，其具有良好的吸收冲击性能，但是价格昂贵，只适用于高档汽车；硬质材料主要采用改性PP注塑成型，主要用于合成面板［6，8］。

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