汽车塑料件

zhangxu5257

1. 汽车塑料化前景

    汽车是陆上主要的灵活运输工具，而且汽车除了具有交通运输功能外，随着在汽车上设置多种多样的专业化装备，它的功能几乎象万花筒一样多姿多彩! 所以汽车工业是国民经济中极为重要的基础工业之一，各行各业都要使用汽车，又各行各业都同汽车工业相关连。所以，汽车工业在世界各国特别是美国、日本、德国、法国、西班牙、加拿大、巴西、韩国近20年来发展尤为迅速，产量猛增。1996年世界小汽车产量高达3741万辆。中国汽车工业起步较晚，但前景不可限量。 1989年，中国汽车工业联合会根据国内国民经济各部门对汽车需求量的预测，结合资金、技术装备、燃油料、原材料、道路条件等的制约因素，到2000年时，汽车工业的发展现划目标如下。
    (1)全国汽车保有量：1366万辆，其中小汽车336万辆；
    (2)生产建设规模：200万辆，其中小汽车70一80万辆，
    (3)1990年产量；56万辆
       1995年产量：110万辆
       000年产量：170万辆
    1995年，根据《汽车工业产业政策》和发展情况，专家分析对6种汽车产量预测。规划实施过程中，总的趋向是有增无减随着汽车的大量生产，由之产生了如何节能省油，提高质量，高功能，节约用材，简化生产工序，降低成本等问题。特别是由于大量的汽车行车时消耗大量的汽油和柴油，因而被称为"油老虎"，又由于世界性能源短缺，甚至周期性发生能源危机，所以汽车节能已成为世界汽车制造业众目关注的大事，也是群起攻克的堡垒。
    2001年美国塑料工程协会汽车分会奖励了6项汽车应用塑料的新技术。奖励的范围包括车身、环保、材料和工艺。福特汽车公司的Windstar(稳达)车上的保险杠获得了大奖。本文用图片加文字说明来介绍这些技术。唯一的一项获奖工艺技术是Textron汽车零部件公司的闭环注塑工艺，可缩短20％的工时和减少3％的废品，但本文中没有图片。
    福特2001型稳达车上的保险杠系统中，用由许多塑料小圆柱构成的隔离层取代了体后面的泡沫塑料层，使每条保险杠的重量减轻0．9～2．7kg。合作者为LDM技术公司。福特公司和维斯通及Honeywell公司合作，用回收的办公室旧塑料地毯注塑成了节气门座的接头，并首次用在了200I型F系列卡车的5．4升V8发动机上。     用于2001型www.cartech8.comPTCruiser车上的吹塑成形的搁板，可用作行李舱盖、储物架甚至野餐桌。吹塑时塞入加强板可提高强度，而不需用钢材加固。比用其它材料和方法制造的同类零件轻，每件可节约10美元。由www.cartech8.com和李尔公司共同开发。
    这是福特2001型探索者Sport Trac车上完全用塑料制造的货厢，重32kg，比钢制货厢轻21．3kg，设备费用也可节省2500万美元。合作者为Budd公司。日产公司Altima、Frontier和Xterra等车上的外后视镜支架，其材料由玻璃纤维加强的尼龙换成了玻璃纤维加强的间规聚乙烯(syndiotaticpolystyrene)，重量可减轻30％。合作者为DOW汽车用品公司。

2．汽车塑料件的开发 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

    汽车塑料件的开发有三条措施使每升汽油公里数从63km增加到126km，而C02的排放量仅为原来的1％，大大减轻对环境的污染。
    做"寸"、做"轻"也有一些问题需要解决，如制造商和销售商的利润、小型车的安全性、消费者的接受程度等等。
    改变燃料结构
    正在开发中的电动汽车、液氢汽车、液化天然气汽车、甲醇、乙醇汽车等，这些属清洁的燃料，减少了对大气的污染。     例如日本东京电子公司开发的一种电动汽车，重1573kg，最高时速176km/h，充电三次可行驶548km。其行驶5km的费用为10日元，而消耗1L汽油可行驶1Okm，价值100日元，效率提高了1－5倍。液氢的燃烧产物为水，适应排放的标准，但氢气的成本为汽油的3倍，液氢汽车成本为普通汽车的2倍，此外，还必须解决氢气的发生、贮存及安全等问题。德国大众汽车公司的氢能示范汽车可产生110kw和210km／h的高速，而用汽油的汽车是155kw，最高时速为240km／h。液化天然气汽车比液化石油气更清洁，排放的污染物更少，引起各方重视。
    然而燃料结构改变后必然对材料提出了更高的要求，如液氢汽车与普通汽车的主要差别是油箱设计，液氢贮于后座后大圆柱形大瓶中，内装0.5MPa的120L液氢，装满时为60kg，可行驶400km。液氢靠7层铝箔和玻璃纤维保持低温，类似一个超级高效的热水瓶。

3．汽车塑料件用材料 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

    随着汽车塑料在外装件和功能件上的应用日趋广泛，传统的金属零部件已逐渐被塑料件取代，这个趋势还在继续；而随着安全、高速、节能、舒适、美观等要求的日益提高，对塑料件的要求也不断提高，因此，塑料的开发过程也不断加快。例如高分子合金是为满足汽车工业的需求而研制、开发的；复合材料虽然在航空航天领域应用较成熟，但现在也将这些设计思路和加工技术转向汽车工业， 90年代欧洲、美国每辆汽车上的复合材料在60－80kg。
  3.1 PA－46
    目前用双峰分布的HDPE树脂作汽油燃料油箱，其中相对分子质量高者，提供燃料箱足够的强度；相对分子质量低者，提供成型加工性，以满足安全性、阻燃、耐热、抗冲、对汽油的阻渗性的要求。随着对阻渗性要求的提高，采取了若干改性方法，如，对PE油箱氟化。磺化， PE与尼龙（PA）多层共挤出，涂PU树脂，阻渗层化接混技术（saler）。后者是在HDPE中形成不连续的、相互重叠0.5~50um厚的PA薄片阻隔层，使阻渗能力极大提高。
    采用甲醇、乙醇为燃料，其挥发性高，抗阻渗能力要求提高。为此开发了PA－46，其对含甲醇燃料的渗透能力比PA66、PA12低1/3－1/6。
  PA 46的优点为；
    ．甲醇渗透率低；
    ．机械性能，尤其是高温下的机械性能优异；
    ．注射、挤出等成型性优异；
    ．其注射制品可替代30％玻纤增强的PA66、PPS。
  3.2 PC（聚碳酸酯）
    PC是优良的工程塑料，其特点为耐热（热变形温度为134－135℃）、透明性好，透光率达89％（与具有优良透明性的PMMA相近），冲击韧性高、尺寸稳定性优异等，但其耐化学药品性（有机溶剂、碱性）差，表面硬度较低。PC在汽车工业中用途主要为：
    ①利用透明性，制灯罩和窗玻璃，但为改善其耐磨性，需涂表面硬化层，改善表面硬度和透明性，提高防雾、防眩和耐热性。     ②利用强度，通常对PC改性，开发了一系列工程塑料合金，如PC／ABS，PC／ PBT（PE）等，用于内、外装饰板等受力的部件上。     夏天，汽车仪表板表面温度可达115－13O℃，随车速提高，仪表板的耐热性也提高，由ABS转向PC／ABS或MPPO。利用ABS对PC改性，其目的在于改善成型加工流动性和成本。随ABS用量增加，加工流动性提高，热变形温度下降。在ABS为3O％时，低温冲击强度出现峰值。PC／ABS合金属部分相容体系。合金的性能受PC相对分子质量，SAN－PB的粒径分率、接技率、AN的比例SAN的相对分子质量及相容剂影响，而为改善其耐侯性、表面硬度、耐化学药品性可用AES、ASA替代ABS。
    利用PBT（PET）对PC改性，主要为改善PC的耐化学药品性和加工流动性。
  3.3 复合材料
    全塑汽车的开发已成为各大汽车公司竞相开发的目标，所谓全塑汽车主要为车身。其开发分三步走：一是装在金属构件的部件的塑料化，如发动机罩、车门、后车门等，二是框架结构的塑料化，三是全塑料车身。首选的材料是复合材料，这是由于复合材料本身性能的优越，可满足减重减阻等要求，再加上其制造周期短，制造成本低。如建一条复合材料的生产线仅14个月，而建一条金属材料的生产线需耗时3~4年。又如用玻纤增强酚醛塑料制造的发动机缸体，质量为14kg，采用模型仅需5分钟，由其组装的发动机比铸铁的发动机（质量为145kg）减轻了8Okg，且噪声。振动小，综合性能优秀。复合材料已被应用于保险杠蒙皮、传动轴、减振弹簧、车体、骨架、车门、发动机室、制动片等等。
    采用复合材料需解决几个问题为：
    ．大批量、稳定生产所需新型复合材料的研制、现有复合材料的改性及相应的成型技术和工艺；
    ．设计理论、设计方法的建立；
    ．在与金属材料混合使用时，两种材料热收缩率差异和表面涂漆的适应性。
    国外从80年代起开发了一种以连续玻璃纤维针刺毡为增强材料，以PP、PBT、 PA等为基体的热塑性玻纤增强板材（GMT）其在汽车上的应用日趋发展。表2所示为以PP为基体的GMT的性能。
表2连续玻纤增强PP板材的性能 项 目 指标
比重 1.19
玻纤含量 % 40
弯曲强度 MPa 16.5
弯曲模量 GPa 5.51
拉伸强度 MPa 96
拉伸模量 GPa 5.17
冲击强度 J/m 748
热变形温度(1.82MPa),℃ 155
4．汽车塑料件的特点 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
    汽车塑料件，根据其主要用途，大体上可分为功能件和结构件两种。功能件是以利用材料的某些特殊的物理化学性质工作的独立件，如塑料含油轴承。结构件是以应用材料的力学性质工作的覆盖件、安装件、壳体、梁架等。不过这种划分也是相对的，往往是二者兼顾或以其中之一为主。     功能件或功能部位通常在确保所需的物化性能的基础上，还要满足一定的结构上的要求，如塑料折页、塑料片簧等。而结构件在保证一定机械性能的前提下也必须满足必要的物理性能方面的要求。如汽车保险杠既要承受整车以8km／h的速度对水泥墙的撞击．还要耐候性好；整体塑料仪表板，由于要在其上安装许多内配件、外装件(汽车仪表等)，承载很大，不仅要求尺寸准确、刚性好、热变形温度高、耐曝晒、蠕变小，而且还要承受直径165mm、质量6．8kg的球形摆以25km/h的速度的冲击，吸收足够的能量而不被破坏；又如发动机散热风扇，在高温烘烤和强震下叶片根部要承受6000r／min的巨大离心力形成的拉力作用。总之．尽管各结构件对其功能要求有很大的差异，但必然能够提出要求聚合物材料必须满足的能够反映构件材料属性的最基本的热学、力学性能指标。随着塑料工业的发展，各种新型树脂的出现以及通过合金、共混、复合等改性手段得到的各种高性能材料也必然能够满足汽车行业对功能型塑料件和结构型塑料件及其所用材料提出的各种综合性能指标要求，逐步扩展塑料在汽车上的应用范围。
5.汽车塑料构件材料的主要性能项目选用依据 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
  5.1高温弯曲模量
    模量是分子链内化学键和分子链间次价力(氢键、范德华力)的宏观表现，因而，模量(E＝σ/ε)既反映材质内聚力的差别，也表征材料在弹性范围内的刚度，它比单纯应力、应变更能说明高聚物构件承受持续力作用的能力。材料的分子量愈大，交联度愈高，玻璃化温度愈高，结晶度愈高，则其弹性模量也越高。从微观看，由于高聚物的高分子链节缠结、分子取向、非分子掺混层次结构等的不均．更增加了材料的各向异性。另外，实用中汽车结构件大多处于复杂受力状态，如试件在弯曲变形时，其上部受压、下部受拉、中部受剪，Eu是σ拉、E拉、σ压、E压、等的综合反映，因此，选用弯曲模量Eu作为评定塑料刚度的主要指标是适宜的。非脆性高聚物在屈服前的弹性范围内，在长期高温加载时有蠕变和应力松弛行为。基于高聚物粘弹响应特性取决于各种分子运动的速率．时间和温度对各种分子运动也均具有同样相关性，高分子材料的松弛模量随时间及温度的变化具有时--温等效转化意义，因而常用提高材料高温下弯曲模量Eu作为限制蠕变与松弛发生、发展的有效手段。热变形试验给出了一定应力(应变) 水平下，材料热变形温度界限及随温度上升而弹性弯曲模量下降的关系。虽然热变形试验不能代替蠕变试验，但材料热变形温度愈高，材科在高温下弯曲模量愈大，则制品刚度大，其蠕变松弛愈小，在允许的变形下，可承受更大的载荷。直接和间接地反映了高聚物的高温下的力学特点，能有效地监控
材料的静载下的力学特性。
  5.2低温冲击韧性
    对汽车塑料构件来说，低温冲击韧度α'k也是判别材料动载力学行为的重要指标．其理由如下：
    (1)防止高聚物材料脆性破坏 高聚物在Tg以下呈脆性，在Tg以上一定温度范围内受高速冲击也呈脆性，且实验温度越低、加载速度愈高，其脆性越严重。材料在突然的脆性失效中只吸收较低的能量，脆性破坏比韧性破坏有更大的危险性，因而，冲击韧度更应作为监控指标。
    (2)监察高聚物材料内部缺陷 断裂力学认为，高聚物材料在受外力作用下，由于分子热运动、微结构不均衡、内应力存在、各向异性、空穴、低分子物存在等缺陷，造成分子链节破坏形成初始裂纹，由于应力集中，裂纹聚集形成大的主裂纹，裂纹扩展，一旦裂纹以音速扩展时，断裂立即发生。因此，必须引入对材料内部缺陷员敏感的冲击韧度指标作为对材料平均应力水平的判断。
    (3)保证工程应用的可靠性 不同材料对制品表面粗糙状态及缺口、孔洞、拐角等所造成的敏感性不同，不同材料在不同温度下对缺口的敏感程度亦不同。目前尚不能用以能量表示的冲击值来直接对结构的力学特性进行计算，但冲击实验可以定性的对缺口、表面状态以及因此使材料由韧性变为脆性破坏作出反应，所以，冲击韧度对控制产品设计的安全程度有重大意义。
    (4)标定高聚物材料承受动裁的能力 高聚物材料，通常状况下具有弹性形变待点，在高应变速度条件下一般呈粘塑性质。目前，受冲击载荷的梁、受振动作用的杆件的力学行为均用粘塑性理论分析，用αk可以定性的反映材料承受动载(含疲劳)的能力。
    综上所述，Eu和αk可综合反应高聚物材料的力学水平，能较集中的反映汽车塑料构件对材料的性能要求。由于E和ak是对立的两个方面，往往材料的冲击性能提高了，而弯曲模量就降低了。对既有耐热刚性的要求又有低温韧性要求的材料，也可以说对材质承受静载、耐蠕变有要求的同时又有承受动载耐疲劳的要求，因此，用E和a作为综合监控指标对材料加以评定可避免材料配方选择时的片面性。当然也不排除对具体结构件的其他特殊性能要求，如风扇材料应补充抗拉强度，内饰件应增加流动性和光泽要求。

6.汽车塑料构件材料的选择分析指南 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

    尽管高温弯曲模量E'u和低温冲击韧性α'k是区分和监控汽车构件材料所特有的、共性的、基本的力学指标。但是，由于高低温数据较少，而较通用的常温下的摸量和冲击强度在一定程度上也能反映材料的基本性质。因此．一般也就以常温下的Eu和αk作为综合监控指标。如高弹性PP，因其具有耐候性好、冲击韧性高，所以多用来制造保险杠，但是，由于该材料模量低、无极性，因此也存在-些不足之处：制品壁厚，材料耗用多；易变形需金属支架支撑；高低温尺寸变化大，不易与其他高阻尼抗冲材料复合来进一步提高缓冲能力；以及不利于喷涂装饰等。又如无机填充PP(填充滑石粉、云母或CaCO3等)，主要用于内饰件和暖风机壳体等，由于其价格便宜、尺寸稳定性好，所以获得了较广泛的应用。但是普遍存在着耐冲击性偏低，外观质量较差，对于大型薄壁件、薄壳件尚有进一步提高材流动性的问题。再如FRPP，其强度高、刚性好，可作各种受力支架，但存在着纵向与横向收缩率差别大、易变形的缺点。复合强化PP是一种有价值的材料(即PP经填充、增强、增韧，合金化)，它代表着当前PP改性的新水平。如汽车整体仪表板选材由过去高温刚性PP逐步过渡到Eu和αk值皆较高的、可喷涂、可粘接的仪表板，通过接枝、轻度交联，令其在分子链上以各种形式接上提高刚性、低温韧性、耐候性、强极性、阻燃的分子基团，力求实现聚合物分子间互作用放热，同时聚合物分子内不同单体之间相互作用放热，从而改善共混聚合物两厢界面状态，降低相分离自由能，达到原来不相容或部分相容。

mondy

好文章咋没人顶呢?恩,读了之后有所帮助,谢谢lz

syzyh_111

好贴。看了之后对汽车件的塑料应用有了大致的了解。