汽車技術發展趨勢——輕量化

汽車輕量化是在保證汽車使用、安全性能和成本控制要求的前提下，將結構輕量化設計及制造技術與多種輕量化材料進行集成應用，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性、減少燃料消耗、降低排氣污染。有實驗表明：汽車的整備質量降低10%可使燃油效率提高6-8%，每減少100公斤可使百公里油耗降低0.3-0.6升、CO₂排放減少5克/公里。因此，出于環保和節能的需要，汽車輕量化已成為世界汽車技術發展的趨勢，而采用輕量化材料是汽車輕量化發展的主要方向。其中，高性能纖維復合材料和熱塑性彈性體等作為汽車輕量化的關鍵材料，在汽車領域應用廣泛并具有很好的發展前景。

 

高性能纖維復合材料——將汽車輕量化夢想變為現實

碳纖維是含碳量90%以上的纖維狀碳素材料，比重不到鋼的1/4，抗拉強度是鋼的7-9倍，即使處于2000℃的高溫惰性環境也不會降低強度，兼具質量輕、強度高、可設計性強、阻尼高、耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊等優異特性。歐美日等發達國家的汽車生產巨頭們一直是汽車輕量化用碳纖維增強復合材料（CFRP）的引領者和推動者。采用碳纖維增強聚合物等復合材料替代傳統的金屬材料，能使汽車的底盤和車身減重40%-60%，其應用范圍已從最初的蘭博基尼、法拉利等高端運動型跑車逐步擴展至寶馬、奔馳等高端轎車，并將繼續延伸至普通轎車及大型客車等領域；全碳纖輪轂和碳纖輪輞+合金輪輻的重量比鍛造合金輪轂分別輕35％和25％，可顯著降低整車的重量；CFRP制動盤的制動穩定性能十分優異，可在50m距離內將汽車的行駛速度由300km/h減至50km/h，并不受此過程中制動盤溫度急劇上升至900℃的影響。

寶馬是CFRP在汽車領域應用的先驅，率先開啟了CFRP在車身、內飾和外飾件等全方位應用模式；豐田、大眾、奔馳、現代等多家汽車制造商也相繼將CFRP應用于多種汽車部件，包括車身、底盤、輪轂、車頂、車門、制動盤、引擎蓋、尾翼、中控臺、裝飾條、儀表盤、傳動軸、座椅、尾擾流板、后視鏡外殼、懸掛臂、遮陽罩、側護板、低位踏板、燃料電池反應堆框架等。受益于國家戰略規劃及政策扶持，我國的大批企業也開展了碳纖維在汽車輕量化方面的應用研究：奧新新能源、奇瑞汽車、長城華冠等公司均成功研發了CFRP電動汽車，并正努力實現低成本及批量化生產；北京汽車、上汽集團、長安汽車、中國一汽等也在碳纖維發動機罩蓋、車頂蓋、前格柵、尾翼、傳動軸、后舉門、板簧等部件的研發及生產方面取得了重大進展。

以熱塑性或熱固性樹脂等作為基體的玻璃纖維增強塑料（玻璃鋼）質輕、高強、絕熱、隔音、防水、易著色、成型方便，已被用于制造轎車、客車、貨車等車身及多種配件，達到了減輕自重、提高車輛重量利用系數的效果。歐美日等發達國家的所有車種現均大量使用SMC復合材料，包括懸架零件、車身、內飾件等，其中以保險杠、車頂、前臉部件、發動機罩、隔音板等部件的用量最大；而汽車領域如今對材料輕質、可回收性及加工便利性的迫切需求，推動了主要用于汽車保險杠的玻璃纖維增強熱塑性復合材料（GMT）的市場份額不斷增長。

屬于天然纖維的竹纖維、麻纖維、木纖維、棉纖維等，具有環境友好性和可再生性等優點。竹纖維增強復合材料兼具輕質、高強度及高剛度等性能，其制備的汽車內飾板在發生事故時因竹纖維獨特的韌性而不易損壞，且制成品質量可減輕20％；將大麻、亞麻等纖維作為增強纖維添加至聚合物中得到的木塑復合材料，可經過模壓或注塑制作門和座椅等汽車部件；此外，通過加強筋提高天然纖維零部件的強度后，可生產制造座椅骨架、座椅扶手、儀表盤、發動機罩、側面碰撞保護用附件、底盤部件等。

合成纖維種類繁多，常見的有滌綸、錦綸、芳綸、腈綸、氨綸等，新型合成纖維制品不僅可達到相關的纖維強度指標，還具備良好的色牢度、透氣、阻燃、吸濕、耐起球、防靜電等優點，滿足了現代汽車對安全性、舒適性、經濟耐用性和穩定性的要求，廣泛應用于汽車內飾，如座椅面料、安全帶、安全氣囊等。

熱塑性彈性體——助力汽車輕量化加速騰飛

根據彈性體是否可塑化，可以將彈性體分為熱固性和熱塑性兩類。熱固性彈性體即傳統意義的橡膠；熱塑性彈性體（TPE）包括苯乙烯類、聚烯烴類、聚氨酯類、聚酯類、聚酰胺類等。TPE兼具塑料的可塑性和橡膠的彈性，可回收利用、機械性能好、加工便捷、耐候性及耐老化性優異。近年來，采用填充、共混、增容、嵌段共聚、化學接枝、共交聯、互穿聚合物網絡（IPN）等合成與加工改性技術，為開發更多的TPE產品奠定了良好基礎。汽車零部件采用TPE材料不僅可以減少重量，提高零部件性能及整車回收利用率，還能改善外觀，因此自20世紀90年代以來，TPE在汽車領域的用量增長很快并逐步取代了傳統橡膠材料。汽車輕量化及全球范圍內汽車燃油經濟性標準愈發嚴格，是推動全球TPE需求量增長的主要因素之一，未來五年內TPE將有平均5.5%的綜合增長率。作為全球最大TPE市場的亞太地區，預測2022年有望達到78.2億美元。

苯乙烯類熱塑性彈性體（TPS）是TPE的鼻祖，其硬端由苯乙烯類組成，軟端由聚丁二烯等組成，是目前世界上產量最大、發展最快的一種熱塑性彈性體。經飽和加氫制成的TPS-SEBS等具有優異的耐臭氧、耐氧化、耐紫外線和戶外耐候性能，且在非動態用途方面可與乙丙橡膠媲美，用于密封條、換檔手柄手球、制動手柄、裝飾條等汽車部件。

熱塑性聚烯烴彈性體（TPO）由橡膠和聚烯烴構成，橡膠組分為三元乙丙橡膠（EPDM）、丁腈橡膠（NBR）和丁基橡膠（IIR），聚烯烴組分主要為聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。TPO和動態硫化熱塑性聚烯烴彈性體（TPV）由于具有耐磨、耐候、耐沖擊、耐水、耐酸堿、耐臭氧、耐紫外線等優異性能，最大應用領域為汽車配件制造行業，用量最多的有EPDM/PP和NBR/PP兩類，可通過多種加工手段（如擠出、共擠出、注塑等）滿足不同制品的要求。隨著汽車向高性能、長壽命及輕量化發展，汽車部件采用TPO/TPV取代傳統熱固性硫化膠的速度越來越快，功能化TPO/TPV的開發進一步拓展了其在汽車領域的應用范圍。在汽車密封系統，TPO/TPV主要應用于擋風玻璃密封條、三角窗密封條、玻璃導槽、雨刮條、大燈密封圈、油箱蓋密封圈等；在汽車發動機系統，TPO/TPV的應用包括空氣導管、燃料管防護罩、電氣接線套等；在汽車外飾件系統，可將TPO/TPV應用于保險杠、散熱器格柵、車身外板、車輪護罩、擋泥板、車門檻板、車牌照板、車側鑲條等；在汽車內飾件系統，TPO/TPV主要用于儀表板、內飾板蒙皮、扶手、安全氣囊外皮層材料等；此外，TPO/TPV還可在底盤及轉向系統用于等速萬向節保護罩、齒條和小齒輪防護罩、軸架懸置防護罩等。

聚氨酯類熱塑性彈性體（TPU）是由異氰酸酯、聚醚（或聚酯）大分子多元醇與小分子擴鏈劑構成的嵌段共聚體。TPU機械強度高、硬度范圍廣、濾震性出色、粘接力強、隔音、耐磨、耐油、耐水、耐屈撓、耐老化等性能優異，但耐熱性和耐壓縮性較差、外觀易變黃。由歐洲、亞太和美國主導的全球TPU市場，預測到2020年價值有望超過730億美元。汽車塑料件的發展趨勢是不斷推出高性價比且可回收再生的材料，促進了TPU廣泛應用于汽車的多種部件，包括輪胎、座椅、頭枕、地墊、儀表盤、遮陽板、門板、換檔拉桿手柄手球、減震墊、軸套、氣囊、隔音降噪及密封材料等。

聚酯類熱塑性彈性體（TPEE）屬于線型嵌段共聚物，機械強度高且耐疲勞、耐油、耐候等性能優異，但耐熱水性較差。TPEE常用于進氣軟管、轉向節防塵罩、安全氣囊、密封圈、齒輪齒帶、油管、安全帶部件、前照燈、門鎖、衛星天線卡箍、門把手密封環等汽車部件。

 

結束語——汽車輕量化擁有輝煌未來

高性能纖維復合材料和熱塑性彈性體憑借自身的優異性能，為汽車各部件制造提供了重要的材料支撐，大力促進了汽車輕量化的發展進程。全球范圍內對輕量化材料的不斷開發及改進，將進一步降低汽車系統成本、減輕整備質量、提高部件性能及回收利用率等，為汽車輕量化營造輝煌未來。

201 7年7月16日
文/五行科技科技創新辦 ? ? 陳俊琛