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摘要：現(xiàn)代汽車除了滿足強度、剛度和使用壽命的要求以外，節(jié)能減排和環(huán)保也越來越受到關(guān)注。汽車輕量化已經(jīng)成為汽車生產(chǎn)中的一個重要研究內(nèi)容，以塑代鋼是目前輕量化途徑中比較常見的一種形式。

質(zhì)輕、高強、易成型的高分子材料在汽車工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。汽車輕量化用高分子材料成型加工方法也隨著汽車輕量化的需求而發(fā)展起來。本文介紹了汽車輕量化的實現(xiàn)途徑和輕量化用高分子材料成型加工研究進展。

汽車的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化是應(yīng)用最早和最成熟的輕量化設(shè)計技術(shù)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指滿足材料機械強度、剛度和可加工性前提下，通過對結(jié)構(gòu)尺寸、形狀等進行重新設(shè)計及優(yōu)化，從而實現(xiàn)質(zhì)量最輕、造價最低等目標的最優(yōu)。

隨著工業(yè)設(shè)計逐步興起及大型工業(yè)設(shè)計軟件的發(fā)展，為汽車的輕量化設(shè)計帶來了契機。優(yōu)化設(shè)計通過理論計算或者仿真軟件驗證，對車身或者關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的強度和剛度等進行優(yōu)化，盡可能使車身更加流暢簡單和零部件更加小型化、薄壁化，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡化和重量的減輕。

汽車材料要滿足幾個條件：(1)在保證汽車的各項使用性能的前提下，低成本、長壽命、可回收；(2)具有良好的加工性能。汽車常用材料分為金屬材料和非金屬材料，金屬材料包括鎂鋁鈦及一些合金材料。

非金屬材料內(nèi)涵廣泛，涵蓋塑料、各種纖維材料和一些復(fù)合材料等輕型材料。金屬材料屬于不可再生資源，比較珍貴，促使纖維增強型復(fù)合材料深化應(yīng)用于汽車工業(yè)，纖維增強型復(fù)合材料具有密度小、可設(shè)計性強、性價比高、可回收利用等特點，在汽車工業(yè)中越來越引起重視。

纖維增強聚合物復(fù)合材料作為一種高分子材料，相比于金屬材料，具有一些特定優(yōu)異的性能：材料輕質(zhì)化，能最大限度的降低結(jié)構(gòu)自重；可加工性好，適合形狀復(fù)雜部件加工；塑料制品彈性變形大，吸震緩沖作用大，能有效保護車輛及車內(nèi)乘員；不同組分搭配的復(fù)合材料外增強組分有碳纖維、玻璃纖維、植物纖維等，既具有相當?shù)臋C械強度，代替鋼板做覆蓋件，更有甚者充當保險桿等撞擊件，利用復(fù)合材料的緩沖吸震特性降低事故次生災(zāi)害。

同時降低汽車自重，節(jié)約能耗。復(fù)合材料不受外界空氣、水等侵蝕，有良好的防腐性；可以通過添加不同的填料、增塑劑和硬化劑來制出所需性能的塑料，改變材料的機械強度及加工成型性能，以適應(yīng)車上不同部件的用途要求。

隨著汽車結(jié)構(gòu)件要求的材料性能的提高，長玻纖增強熱塑性復(fù)合材料因其較高力學(xué)性能、低成本及可回收重復(fù)使用等優(yōu)點在汽車零配件中廣泛使用。

汽車內(nèi)飾件中的隔板、儀表盤、車板座椅、門把手以及車內(nèi)飾件都是采用高分子復(fù)合材料。要求材料滿足低光澤、防劃傷、耐沖擊的要求。對于儀表盤，要求耐高溫、高強度、防刮傷。對于隔板則側(cè)重于輕便和低光澤。座位則采用了輕質(zhì)的皮革，要求緩沖能力強，能提升座椅的舒適度。

相對于內(nèi)飾件，外飾件主要用于制造汽車的保險桿、格柵、翼子板。保險杠以塑代鋼，用具有彈性的材料制造，具有較大的變形，在車輛沖撞時依靠大變形緩沖能量，保護車身。格柵用于冷卻汽車前置發(fā)動機溫度而特定設(shè)置的汽車外飾，要求硬度大。

汽車內(nèi)外飾件對汽車整體運行影響不大，質(zhì)輕、亮澤和流暢的設(shè)計曲線是材料的首選特色。其不但彰顯了車輛的檔次，更能成為轎車聲譽和人們購買欲的立足點，主導(dǎo)了車輛新潮流。對于家庭轎車來講，內(nèi)外飾件不是結(jié)構(gòu)件，只具有功能要求，但它們卻擔負了減輕震動、隔離熱源、阻隔噪音及裝飾功能，對汽車的舒適性起到十分重要的作用。

汽車內(nèi)外飾件塑料消耗量大，幾乎占據(jù)了整車塑料用量的50%左右。傳統(tǒng)內(nèi)外飾件采用了金屬、纖維制品，重量降不下來，外觀和手感欠缺。環(huán)保和節(jié)能減排意識日趨濃郁，纖維增強熱塑性材料以其質(zhì)輕、高強、耐腐蝕、表面光滑、成本低等一系列優(yōu)點，因此受到人們的歡迎。

汽車發(fā)動機動力強勁，但是具有高溫、大扭矩，部分非接觸高溫及非核心受力零部件正在塑料化。在引擎部件塑料化方面，美國產(chǎn)汽車的氣門套和進氣總管制造取得新的進展。新型玻纖增強尼龍6和66以及熱固性乙烯基酯化合物以其輕質(zhì)、加工容易、造價低等優(yōu)點逐步取代了金屬氣門套(也稱作搖桿或凸輪蓋)。

戴姆勒-克萊斯勒公司(Daimler Chrysler)大膽運用新技術(shù)，最近采用了兩種新型塑料氣門套。一種是利用增強尼龍66制造V26引擎氣門套，據(jù)說是第一種在美國產(chǎn)大容量汽車上使用的熱塑性塑料。同樣，一種用于V8引擎的熱固性塑料，據(jù)說也是首次在氣門套上使用。

杜邦公司在技術(shù)報告中聲稱塑料引擎蓋質(zhì)量減輕了65%，且將油氣分離器通過塑料成型做成一體，在降低油損耗的同時提高了引擎效率。在引擎蓋的外部栓接了曲軸箱強制通風(fēng)閥，利用振動焊接技術(shù)將閥隔離開，改善了汽車的啟動性能。

汽車輕量化技術(shù)除了應(yīng)用于內(nèi)外裝飾件，逐步向車身覆蓋件和結(jié)構(gòu)件方面發(fā)展。汽車結(jié)構(gòu)件應(yīng)用前景廣闊，應(yīng)是未來發(fā)展的主打方向，并兼具環(huán)保功能。由法國Saint Gobian Vetrotex公司研發(fā)出的長玻纖增強熱塑性復(fù)合材料，命名為Teintex系列。2002年的時候，該公司將該材料推向美國市場，命名為Twintex PET，獲得了美國市場的歡迎，該產(chǎn)品沖擊強度大，效果顯著，能夠滿足汽車結(jié)構(gòu)部件的性能要求。

英國Thompson塑料集團的汽車工業(yè)分公司，集成Cannon公司的玻纖增強聚氨酯Interwet技術(shù)，很好的實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料的輕量化。該制造工藝是在模具內(nèi)部鋪塑料薄膜，后續(xù)噴上一層聚氨酯-短切玻纖維混合物，該層材料通過纖維-聚氨酯材料增強。

通過該技術(shù)促使塑料厚度從4 mm降到2 mm。通過這種方法制造出來的零件耐磨性、抵御噪聲和震動性能也有所提高。通過技術(shù)革新，將這種工藝運用到發(fā)動機側(cè)板、氣門套、進氣管道、內(nèi)部零件如后尾箱、行李架、座椅和儀表板的制造。這種工藝集成了聚氨酯結(jié)構(gòu)堅硬、負載強度高、抗沖擊性好、隔熱、耐磨、耐溶劑和油脂的優(yōu)點與熱塑性表皮耐紫外線、表面光潔、防刮擦、易上色和抗化學(xué)物質(zhì)的優(yōu)點。

該公司計劃在覆蓋件等復(fù)合部件制造中利用這種工藝，在降低成本的同時能夠提升質(zhì)量。隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，各種新型合成樹脂不斷出現(xiàn)以及通過合金、共混、復(fù)合等改性手段得到各種高性能材料已能夠滿足汽車行業(yè)對結(jié)構(gòu)型塑料件及其所用材料提出的各種綜合性能指標要求。

車用塑料類型多樣，聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、熱固性復(fù)合材料、ABS、尼龍、聚乙烯屬于用量比較大的。其中聚烯烴材料因密度小、性能較好且成本低，其增長勢頭強勁。

纖維增強熱塑性復(fù)合材料，顧名思義，其基本相為熱塑性聚合物，增強相為纖維，通過一定的工藝將基本相與增強相混合均勻制得的高性能材料。對于這種由兩種相構(gòu)成的復(fù)合材料而言，增強相作用顯著，在承當外界載荷的同時，還成就了材料髙的比強度和比剛度。

對于作為增強材料的纖維，其較長的長度、高強度、小的斷裂伸長率、較高的加工溫度以及低質(zhì)量就成為首要要求；對于這種廣泛采用的復(fù)合材料，對纖維也提出了價格方面的要求。目前，廣泛用于復(fù)合材料的纖維包括了碳纖維、植物纖維、有機纖維和玻璃纖維，其中玻璃纖維來源廣，強度高，應(yīng)用最為廣泛。

玻璃纖維增強熱塑性復(fù)合材料是將玻璃纖維均勻的分散到樹脂基體內(nèi)的一種復(fù)合材料?；w樹脂主要是聚丙烯，在經(jīng)過玻璃纖維的填充混合增強后，在基體相基礎(chǔ)上，復(fù)合材料強度、剛度、熱學(xué)性能都得到相應(yīng)的提升而被廣泛應(yīng)用到汽車工業(yè)、通訊電子、交通運輸?shù)刃袠I(yè)。

具體而言，玻纖增強復(fù)合材料是由基體樹脂和玻璃纖維兩種不同的材料復(fù)合而成的高性能材料。在對材料性能的支撐方面，基本相和增強相扮演者不同的角色?；w相承擔了外部大部分載荷并進行壓力傳遞，使其分散均勻。纖維接受基體相傳遞的壓力，反向給與基體相高的強度，并且在一定程度上賦予了玻纖增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件強度和剛度方面的性能。

纖維增強型復(fù)合材料因其具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐磨耐熱性而引起了企業(yè)界和學(xué)術(shù)界的強力關(guān)注，學(xué)術(shù)界一直在致力于研究長玻纖增強熱塑性復(fù)合材料的成型工藝及加工設(shè)備，擴大其應(yīng)用范圍，推動復(fù)合材料的落地生產(chǎn)。

注塑成型工藝是目前制備長玻纖增強熱塑性復(fù)合材料最為重要的成型工藝，因該成型工藝具備穩(wěn)定性高、可自動化和效率高等優(yōu)點，也是目前應(yīng)用最為廣泛的成型工藝。按照材料熔融塑化的次數(shù)，長玻纖增強熱塑性復(fù)合材料注塑成型的工藝方法主要分為兩種，一種是粒料法，也稱“兩步法”；另一種是在線配混直接成型，也稱“一步法”。

粒料法(兩步法)是經(jīng)過兩次高溫加熱對材料分別進行塑化和注塑的方法，該方法需要預(yù)先通過雙螺桿擠出機進行長玻璃纖維與聚丙烯的共混擠出造粒，再將所制得的粒料一起放進注塑機中，經(jīng)過再一次高溫塑化注射后進入模腔保壓、冷卻成型，該方法所制備的復(fù)合材料經(jīng)過兩次塑化，故也稱“兩步法”，其工藝流程如圖2所示。

粒料法具有生產(chǎn)工藝簡單和成型精度高等優(yōu)點，由于經(jīng)過擠出和注塑二次加熱，重復(fù)加熱能耗高、勞動消耗大、綜合效率不高，更重要的是螺桿兩次對玻纖進行剪切，導(dǎo)致了玻纖結(jié)構(gòu)破壞，從而對復(fù)合材料最終的性能產(chǎn)生影響。

圖2：料粒法成型工藝示意圖 

圖3 單螺桿在線配混注射成型原理示意圖

1-驅(qū)動電機；2-傳動軸；3-變速箱；4-連續(xù)纖維；5-料斗；6-熱電偶；7-熔膠筒；8-外加熱器；9-螺桿；10-進料口；11-保護套；12-分流錐；13-模頭；14-模腔；15-加熱器；16-切纖裝置；17-喂纖裝置；18-機架；19-液壓系統(tǒng)；20-控制系統(tǒng)

在線配混直接成型(一步法)即將玻璃纖維、熱塑性樹脂和其他助劑等在一條生產(chǎn)線上配混，再利用擠出機擠出成型來制備LFRT。其原理圖如圖3所示，熱塑性樹脂從料斗5中加入，在單螺桿9的作用下向前進行塑化運輸。

長玻纖4在切纖裝置16和側(cè)喂料裝置17的作用下進入料筒與熔融熱塑性樹脂進行配混，經(jīng)過一段時間熔融塑化后，借助液壓系統(tǒng)19的外力，將塑化后LFRT從模頭13擠出進入模腔14制得LFRT，實現(xiàn)了LFRT在線配混。相比料粒法，在線配混直接成型沒有中間造粒這個環(huán)節(jié)，配混和注塑按照時序連續(xù)進行，并且可以根據(jù)應(yīng)用變化快速調(diào)整，完成自動化操作。

該方法具有能耗更低和成本更低的優(yōu)點。目前，LFRT在線配混直接注塑成型技術(shù)已被許多歐美的汽車復(fù)合材料零部件生產(chǎn)企業(yè)廣泛應(yīng)用。

熱模壓成型工藝具有結(jié)構(gòu)簡單、熱穩(wěn)定性好和制品外形多樣化等優(yōu)點，是制備LFRT復(fù)合材料較常用的成型工藝之一。其工藝流程如圖4所示，利用加熱設(shè)備在高溫作用下將熱塑性材料加熱到熔融的狀態(tài)，再與玻璃纖維一起轉(zhuǎn)移至加熱模具進模壓，通過保壓、冷卻成型和脫模的過程來制備LFRT，是制備LFRT較為傳統(tǒng)的成型工藝。

圖4 熱模壓成型型工藝流程示意圖

同時從汽車零配件的生產(chǎn)來看，模壓成型工藝具有成型效率高、產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。在新的形勢下，模壓制品適用領(lǐng)域不斷擴大，模壓工藝及設(shè)備水平升級，低污染、高效率、良好排氣性能等綠色制造要求呼之欲出。植物等天然纖維、碳纖維、熱塑性片材、復(fù)合纖維織物等新型模壓材料隨著模壓設(shè)備的發(fā)展而發(fā)展。新興產(chǎn)業(yè)新能源汽車異軍突起，汽車外圍覆蓋件等大型制件需求助推了高壓模壓成型技術(shù)及其增強復(fù)合材料的發(fā)展。

隨著綠色制造要求的呼聲越來越緊，未來模壓成型將往幾個方向發(fā)展。在原材料方面，采用熱塑性塑料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱固性塑料，在單純追求力學(xué)性能的同時也要求了可降解生物循環(huán)性能及環(huán)境友好性；在生產(chǎn)制造過程，采用更先進的智能化生產(chǎn)設(shè)備，在提高材料利用率的同時也提升了效率，降低了勞動強度；在終端產(chǎn)品方面，模壓制件將朝著大型結(jié)構(gòu)化、集約化及模塊化方向前進。相對于傳統(tǒng)的模壓成型工藝，新型技術(shù)及設(shè)備更加環(huán)保、智能、快速。

拉擠成型是借助外力牽引下纖維粗紗經(jīng)過浸漬、固化和切料等工序來制備LFRT的成型工藝，成型后的材料截面固定且實現(xiàn)材料連續(xù)生產(chǎn)，其工藝流程如圖5所示。該成型工藝具有連續(xù)成型、生產(chǎn)效率高和制品性能穩(wěn)定等優(yōu)點，是制造高纖維體積含量、高性能低成本復(fù)合材料的一種重要方法。

圖5 拉擠成型工藝流程示意圖

汽車輕量化是未來汽車工業(yè)的發(fā)展方向，有助于減輕排放、節(jié)約能源，并大大改善了汽車的綜合性能。在促進汽車設(shè)計及生產(chǎn)革新的同時，還會給整個汽車生產(chǎn)和銷售行業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)和新的機遇。汽車新型材料的應(yīng)用以及汽車輕量化用高分子材料成型加工研究都有很好的發(fā)展前景。

目前國內(nèi)外汽車的內(nèi)飾件已基本實現(xiàn)塑料化，如何擴大塑料件使用范圍，使得塑料使用在外部構(gòu)件、車身、和主要構(gòu)件零部件等范圍，將是未來汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢。今后的重點發(fā)展方向是開發(fā)結(jié)構(gòu)件、外裝件用的增強塑料復(fù)合材料、高性能樹脂材料與塑料。

汽車輕量化引領(lǐng)了未來汽車工業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標，是汽車工業(yè)發(fā)展的一個重要方向。結(jié)合節(jié)能降耗綠色環(huán)保等終極要求，汽車輕量化在未來擁有巨大的發(fā)展空間?？偨Y(jié)上述汽車材料應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢的分析，可以看出必須對汽車輕量化用高分子材料成型加工的研發(fā)從戰(zhàn)略高度加以重視，也要順應(yīng)未來汽車發(fā)展的潮流。