高分子材料在汽车轻量化上的应用

高分子材料在汽车轻量化上的应用

张钰机械工程学院车辆131班 130565

摘要本文就汽车数量的日益增长所带来的问题进行分析，进而提出详细策略，便是汽车的轻量化，也是汽车行业目前一重要发展方向。要实现轻量化，高分子材料为实现途径提供了便捷。从而介绍了目前汽车上应用广泛的几种高分子材料，分析了它们在汽车不同位置使用时所产生的效果，能减轻汽车质量，减少油耗和减少污染排放。

关键字汽车；轻量化；高分子材料；应用；展望

0 引言

当今社会，汽车成为人们出行必不可少的工具，也成了人们日常活动不可或缺的商品之一。随着人均汽车占有量的增长，越来越多的汽车展现在了我们生活当中，它不仅能使我们的旅途更加便捷，也逐步地向舒适的方向发展，所以它不仅是一个交通工具，也渐渐成为一种可以依赖享受的物品。但是，随着汽车数量的不断增加，一些不能回避的问题也日益显露。交通拥堵、环境污染、能源消耗以及各种安全隐患让汽车行业不断地接受挑战，降低燃油消耗和减少污染排放已成为当今汽车工业发展和社会可持续发展亟待解决的关键问题。

1 汽车轻量化成为潮流

为解决汽车带来的问题，相继出台了一系列的政策来解决，汽车行业的领军人物也开始不断地探索出新的方式来满足汽车量的增长所带来的需求，因此能更节省燃料、控制排放的技术正在不断创新和发展。从国际发展趋势上看，主要采取以下措施：一是大力发展新型能源汽车；二是发展先进发动机技术；三是汽车轻量化。在过去10年间，主要是通过改进汽车动力系统来达到节油和环保的标准，发展至今，动力系统技术的改进已接近极限。而汽车轻量化是汽车零部件重要的发展方向之一，是实现汽车节能减排的最直接和最有效途径。

汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

1.1 汽车轻量化更节能环保

汽车质量的减少，会减小动力与动力传动系统的负荷，可在较低牵引负荷下，表现出同

样或更好的性能。相关资料及试验结果显示，汽车质量每减少10%，对汽车相关性能及节能减排的影响如下：加速时间减少约8%，制动距离减少约5%，疲劳失效减少约50%，燃油消耗减少约7%，尾气排放减少约5%，原材料成本降低约10%。[1]根据国家要求，到2015年所有乘用车平均耗油必须降至6.9L/ 100km，节能型乘用车油耗降至5.9L/ 100km以下。这样不管是从节约能源，还是从保护环境的角度出发，汽车的轻量化都有很大的必要性。为此，我国一方面要大力发展节能发动机，另一方面是大力发展汽车轻量化技术。

2 高分子材料为汽车轻量化提供有效捷径

汽车轻量化的实现途径有很多，但是经济与社会的发展使人们对汽车轻量化、节能、美观、环保、车速更快、更安全、更舒适等方面提出了更高要求。而高分子材料由于具有良好的性能、低廉的价格、简单的加工工艺，在汽车工业扮演着愈来愈重要的角色。在汽车工业领域大量使用塑料等高分子材料，以代替各种昂贵的有色金属和合金材料，不仅提高了汽车造型的美观与设计的灵活性，降低了零部件加工、装配与维修费用，还可减轻汽车质量，降低汽车能耗与排放。以塑料、纤维和橡胶为首的高分子材料在汽车工业领域已建立起不可或缺地位。

2.1 塑料在汽车上的应用

塑料具有密度小、比强度高、抗腐蚀性好、易成形，从而降低了复杂零件的加工难度，其可设计性强，耐冲击并可绝热、不导电，因此，是汽车轻量化的重要材料。工程塑料比钢板密度要小得多，对于刚强度要求不高的地方，用塑料代替钢板，减重效果良好，因此塑料在汽车上有广泛的应用，比如内饰件、装饰件和许多结构件，特别是近年来塑料正由内饰件和装饰件向结构件发展，以减轻汽车结构件目前的重量。塑料目前在汽车上应用的品种有PP、PE、PVC、PA、POM、PC等。汽车用的工程塑料大体可以分为两大类，目前在不同乘用车车型上应用的重量比大约为8%~10%，商用车车型上1%~2%。[2]

目前，我国每辆轿车塑料用量平均为100kg，占总重量的8%左右，达到国外20世纪80年代中期的水平，可以预料，塑料在汽车工业上的应用将会越来越广泛，开发并使用全塑汽车已不是梦想，一个塑化的汽车工业时代即将到来。

2.1.1 塑料在汽车内饰上的应用

汽车内饰件制造过程中常常会采用50%左右的塑料当做原材料，并且汽车内部饰件、外部饰件和功能器件对塑料的要求也有一定的标准。如所采用的塑料不会产生反光、没有其他

异味、不会导致汽车玻璃变模糊、塑料容易去污、抗高温和阻燃性良好等。在汽车内饰制造中，内部的仪表盘、车板、座椅、门把手以及其余的车内饰件等都是采用复合型的塑料。仪表盘包括软仪表和硬仪表板，塑料制造的仪表盘能够耐高温，而且透明度较好，耐强度较好。座位通常都会采用软质的皮革，其缓冲能力较好，而且这种复合型的塑料材料能够提高座位的舒适度。

2.1.2 塑料在汽车外饰上的应用

塑料在汽车外饰中主要用于制作汽车的保险杠、格栅、翼子板。汽车保险杠可以利用塑料着色快、耐热性和强度较高的特性来制作，并且成本相对较低。保险杠格栅主要用于冷却汽车前方发动机温度而特定设置的汽车外饰，其位置在于汽车最前方，并且各种类型汽车的品牌标志也都镶嵌于散热器的格栅之上。格栅主要采用ABS、PC或者是两者的合金材料，但是ABS的耐高温性能相对较差，所以在制造的过程中常常会添加黑色助剂。有的汽车在制造散热器格栅的时候主要采用合金材料，然后利用特定颜色的喷漆来统一车身的颜色。翼子板主要是用于阻挡泥水飞溅到车身底部的工具，因此必须要具有较强的耐腐蚀性和抗摩擦性。

2.2 碳纤维在汽车上的应用

目前，汽车轻量化主要是针对汽车结构、变速器、发动机、悬架、车身及其他附件设计，并使用轻质材料的方式实现。实现汽车轻量化，力学性能优异的碳纤维被寄予厚望。碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量大于90%，具有加工能耗低、轻质高强、耐腐蚀、容易成型等优点，其成为汽车轻量化的理想材料。

2.2.1 汽车车身

由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，是作为汽车覆盖件的理想非金属材料，既可以减轻车重，又能够保持防撞性能。此外，加工的零部件整合、模块化，安装成本低且投资小，可以很好的解决传统车身喷涂和环保处理等成本。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身和底盘质量减轻50%。因此，可以大大节省燃油消耗，但是随之而来的成本问题也不容忽视。

2.2.2 制动器衬片

碳纤维复合材料以比强度高、耐热性好、耐磨等优点而应用在刹车片上，成为很好的石棉替代品。碳纤维制动盘能够在50ｍ内将车速度由300km/h降低到50km/h，制动盘的温度达到900℃以上，碳纤维制动盘可以承受的高温达2500°C，且制动稳定性好。