高分子材料在汽车轻量化中的应用及发展趋势.pdf

科普汇81塑料助剂2023年第3 期（总第15 9 期）高分子材料在汽车轻量化中的应用及发展趋势韩秋燕（烟台汽车工程职业学院，烟台2 6 5 5 0 0）摘要：采用高分子复合材料作为汽车轻量化的核心材料，可提升汽车车身的强度及刚度，增强零件的耐磨损性能，并降低汽车耗油量以及有害气体的排放。通过汽车轻量化设计，可在不增加汽车自身质量的前提下，完成汽车附件的安装，以此保证汽车的节能减排效果，同时促进汽车工业领域的发展。关键词：高分子复合材料；汽车轻量化；发展趋势doi:10.3969/j.issn.1671-6294.2023.03.0021Application and Development Trend of Polymer Materials in Automotive LightweightHan Qiuyan(Yantai Automobile Engineering Professional College,Yantai,Shandong 265500,China)Abstract:The use of polymer composite material as the core material of automobile lightweight can improvethe strength and stiffness of automobile body,and reduce automobile fuel consumption and harmful gas emissions,which is conducive to improving the wear resistance of automobile parts.Through the lightweight design of thecar,the installation of the car accessories can be completed without increasing the weight of the car itself,so as toensure the energy-saving and emission reduction effect of the car,and promote the development of the automotiveindustry.Keywords:polymer composite material;automotive lightweight;development trend随着我国汽车工业发展规模的扩大，汽车产量、保有量不断增大，给人们的日常生活带来了较大便利的同时，也带来了交通安全以及环境污染等问题。采用汽车轻量化设计的方法，结合高分子复合材料的多种优势，可实现汽车的节能减排，并提高汽车的安全性及可靠性。1汽车轻量化的意义1.1实现节能减排的重要途径通过对汽车进行轻量化设计，可最大限度地收稿日期：2 0 2 2-0 4-0 2降低汽车耗油量以及有害气体的排放，有效保护环境。随着汽车消耗油量的不断下降，汽车在行驶过程中产生的CO,以及氮氧化物等有害气体大幅度减少。一般乘用车的质量每减少10%，可节约油量7%8%左右，其中CO，的排放量可减少6%7%左右，其余有害气体的排放量可减少3%4%左右。商用车的质量每减少10 0 0 kg，油量消耗可降低6%7%左右。通过对不同类型的汽车进行试验分析可知，汽车的油量消耗与自身质量之间呈线性关系变化。以全顺车为例对油量消耗进行试验，发现其每百公里的油量消耗Y与自重X之间的关系式为：Y=0.003X+3.3434。822023年第3 期（总第15 9 期）塑料助剂汽车在行驶过程中受到四种阻力的影响：空气动力阻力、滚动阻力、梯度阻力以及加速阻力。其中，空气动力阻力与汽车自身的质量无关，滚动阻力、梯度阻力以及加速阻力均与汽车自身质量呈线性关系变化。该变化关系表明汽车轻量化设计可有效降低汽车运行的阻力，有利于实现汽车油量消耗及有害气体排放量的降低，并提高汽车的燃油经济性。1.2提高汽车动力性与舒适性通过对汽车进行轻量化设计，可使不同汽车在发动机相同的情况下，行进阻力减小，实现汽车动力性能和加速性能的改善。汽车轻量化设计的应用，可在不增加汽车自身质量的前提下，完成汽车附件的安装，并保证汽车的节能减排效果。汽车轻量化实施过程中，为提升汽车的性能及在市场中的竞争力，研发人员引人了一系列新技术、新工艺及新材料 2 )1.3全面带动相关工业的发展汽车轻量化设计在一定程度上可带动相关工业的全面发展。该技术集成了高强度钢、塑复合材料等多种材料的优势，通过促进新技术及新材料的应用，全面带动与汽车轻量化相关的工业的发展，可提升相关企业的经济效益。通过上述分析可知，汽车轻量化设计可实现汽车舒适性的整体提高，有效实现汽车的节能减排，并控制有害气体的排放，缓解我国石油对外依存度较高的情况3。2高分子复合材料轻量化技术汽车轻量化设计可从汽车结构设计与优化和轻质材料与成型工艺两种途径进行研究。其中汽车结构设计与优化主要包括模块化集成设计、结构拓扑优化与板厚减薄优化。轻质材料与成型工艺可通过选取新型材料以及运用先进的工艺来实现。当前新型材料主要包括铝合金、镁合金、高分子复合材料以及高强度钢等；先进的工艺技术包括两大类：成型工艺和连接工艺。成型工艺主要包括热成型、激光拼焊、液压成型以及辊压成型，连接工艺主要包括铆接、粘接以及焊接。高分子复合材料实现汽车轻量化设计的技术路径如图1 所示 4。轻量化技术焊接粘接结构设计与优化轻质材料与工艺连接工艺铆接模块化集结构拓板厚减新型材料先进工艺激光拼焊成设计扑优化薄优化成形工艺辊压成型镁合金铝合金高强塑料复液压成型材料材料度钢合材料热成型图1汽车轻量化技术实现路径Fig.1Implementation path of automobile lightweight technology3高分子复合材料在汽车轻量化中的应用3.1汽车仪表盘仪表盘在汽车中主要起装饰作用，同时可为开关、收音机等提供安装位置。依据高分子复合材料的材质及成型工艺，可将仪表盘划分为硬质和软质两类。其中硬质仪表盘制造的核心技术为注塑成型，该技术具有一次成型的优势，但是制成的产品质量不高；软质仪表盘主要在表面真皮与仪表板之间使用发泡材料填充，再用金属或者塑料骨架完成仪表盘的固定，该类型的仪表盘通常应用于档次较高的汽车。近年来，随着汽车工业的不断发展，部分汽车选用半硬质类型的仪表盘，该类型仪表盘的填充区为半硬质发泡材料，具有较好的回弹性以及缓冲能力，使用寿命更长。一般采用聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚碳酸酯（PC）、丙烯腈（A）丁二烯（B）苯乙烯（S）的三元共聚物（ABS）以及它们的合金83韩秋燕：高分子材料在汽车轻量化中的应用及发展趋势等高分子材料 5 。3.2汽车地板汽车地板为汽车车身的重要组成部分之一，可直接决定汽车车身的性能。随着新能源汽车的不断发展，汽车的底盘以及车身结构等部分也发生了变化。以混合动力汽车为例，对其车身进行设计时，需考虑电池包在汽车中占据的空间。电池包可放置于汽车地板的下方，以平衡载荷的分配，并节省汽车内部空间。汽车地板主要由增强型热塑性塑料等高分子复合材料制成。三明治式多层复合材料（ISF）为新型的汽车地板原材料，主体材料为玻璃纤维增强聚丙烯塑料，其外部主要采用铝薄片对汽车地板进行包裹。ISF地板具有较强的隔热性能，且与传统地板相比，质量减轻5 0%左右，可实现汽车轻量化设计 6 。4高分子复合材料在汽车轻量化中应用的发展趋势未来汽车行业发展过程中，材料的复合化与轻质化将是汽车轻量化的主要发展趋势。为实现材料的复合化与轻质化，可以采用传统片状模塑料（SMC）作为基础，开发出轻质夹层结构SMC。该结构具有高比强度以及高能量吸收等特性，但破坏模式较为复杂，可直接影响轻质结构在汽车领域的应用。为实现制件质量的降低，可采用碳纤维替代玻璃纤维，并制得增强型SMC。将连续碳纤维作为增强材料，可有效提高复合材料的强度与模量，能够广泛应用于汽车轻量化设计中 7-8 。此外，植物纤维具有密度低、环保性强等优势，也可满足汽车对材料性能的要求。其中的棕榈纤维增强复合材料吸收效果较好，性能仅次于碳纤维材料，也适用于汽车轻量化结构件中。5结束语汽车的轻量化设计采用高分子复合材料作为主要原材料，以此实现汽车质量的降低。它可最大限度地降低汽车耗油量以及有害气体的排放，还可在不增加汽车自身质量的前提下，完成汽车附件的安装，并保证汽车的节能减排效果。参考文献1才胜,罗颖辉,李青林.农业机械轻量化技术研究现状与发展趋势 机械工程学报,2 0 2 1,5 7(17):3 5-5 2.2 梁娜，杨莺，邵灵芝，等.注塑级改性聚丙烯材料光泽度的影响因素 J.化学推进剂与高分子材料,2 0 2 1,19(4):32-36.3 祁蓉，铁文安，康少冉，等.车用聚丙烯材料改性技术的研究进展 J.现代塑料加工应用,2 0 2 0,3 2(6):6 0-6 3.4 杨书广，王春华，谷新林，等.皮胶原基蛋白塑料的制备及性能研究 .中国皮革,2 0 18,47(6):1-6.5余旭康，冯驰.汽车用铝合金阳极氧化及双重封闭工艺的研究 J.电镀与环保,2 0 2 0,40(2):46-48.6孙然.基于平均相对灵敏度评价法的商用车驾驶室轻量化设计 J.重庆科技学院学报（自然科学版),2 0 2 0,22(6):98-102,112.7王俊峰，陈美玉,王峻峰,基于性能要求的汽车尾门轻量化设计研究 J.汽车实用技术,2 0 2 0(3):7 5-7 8.8朱晓，袁刘凯，杨情操，等.轻量化设计在轻型商用车车架上的应用 J.上海汽车,2 0 2 0(3):2 8-3 1.启事为适应我国信息化建设，扩大本刊及作者知识信息交流渠道，本刊已被“中国期刊全文数据库（CJFD）”“中国核心期刊（选）数据库”“中文科技期刊数据库”“中国石油化工文献数据库”收录，作者文章著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。如作者不同意文章被收录，请在来稿时向本刊声明，本刊将做适当处理。本刊未与任何网站合作投稿事宜，所有稿件均请发至编辑部邮箱：编辑部地址：南京市太平门街5 3 号邮编：2 10 0 16电话：[phone] 0 3 8 6