高分子材料在汽车领域的应用及发展

高分子材料在汽车领域的应用及发展

摘要：分析汽车工程材料的现状与发展趋势；结构材料中传统钢铁材料所占比例将逐步下降，在性能可靠的的条件下，将尽可能多地采用复合材料等轻型、新型材料取代传统材料。大量新材料，如高分子材料、复合材料等的迅速发展，为现代汽车的发展提供了必要的条件。

关键词：汽车工程材料 ； 现状分析 ；高分子材料 ；化学性能 ；发展趋势

随着社会的进步，人民的生活水平越来越高，汽车越来越多的进入了人们的生活。据不完全统计，仅2009年一年我国的汽车销售总量就超过了1300万辆。这就促使汽车制造厂家不断改进制造技术和材料，在安全性、节能性、美观性等多个方面作出新的调整。现代汽车制造材料的构成，发生了较大的变化，高密度材料的使用比例下降，低密度材料如高分子材料有较大幅度的增加。

本文主要结合一些材料谈以下高分子材料在汽车上的应用和发展：

一、我国汽车塑料制品发展现状；

汽车塑料制品，按其使用部位可分为内饰件、外装件、机能结构件等。 我国汽车材料是伴随着汽车工业的发展而发展起来的， 近年先后开发出一批轿车国产化急需的非金属材料， 促进了国产汽车材料的技术进步。 但同美、日、德等发达国家相比，我国汽车工业整体技术水平还比较落后，汽车材料领域的差距更大，有些高端产品仍要从国外进口， 国内汽车材料领域的现状还不能满足我国汽车工业的发展需要。近年来我国大力开展汽车软饰化工作，汽车上塑料用量明显增加。

如图为福特公司CFRP 实验车中复合纤维材料的结构图：

二、汽车用塑料主要特点：

高分子汽车材料就其自身化学性质分析，在组成上，材料内部高分子链间的范德华力远远超过一般分子，赋予了高分子材料以强度，这就是高分子材料能作为结构材料使用的根本原因，而起这一特性，恰好符合汽车对于车体材料安全性的考虑。由于化学性质的特殊，高分子材料其化学上的可变性就决定了其强大的适应性，从而能够满足汽车行业对于多方面的不同要求。高分子汽车材料外在特点主要表现为重量轻、有良好的外观装饰效果、有多种实际应用功能、容易加工成型、节约能源，可持续利用等各方面，主要特点如下。 1、优点： ⑴、重量轻；

高分子汽车材料最突出的优点之一就是具有轻质高强度的特性。由于各种塑料的平均比重只有一般普通钢材的15-20%，也比一般木材轻。这一特点对高档大型轿车尤其有突出的优点，可以减去大量的自重，更加合理的分配其动力。在驾驶方面，汽车轻量化后加速性提高，车辆控制稳定性、噪音、振动方面也均有改善。从碰撞安全性考虑，碰撞时惯性小，制动距离减小。此外车辆每减重100公斤，二氧化碳排放可减少约5克/公里。

⑵、良好的加工性能；

高分子汽车材料具有非常好的加工性能。由于高分子汽车材料的可塑性和与其它材料之间良好的兼容结合性能，可以利用不同的材料组分，借助于各种现代化的成型加工机械，通过挤出、注塑、压延、模塑、吹塑等方法加工成具有各种不同形状、不同性能、不同颜色的、不同功能的高分子汽车材料，如，直接挤成管材、型材、板材，注射成有各种造型的制品、压延加工成薄膜等，还可根据需要制成各种颜色、有夹层、中空、放嵌件等各种产品，还可根据要求进行二次加工，如机械制品样的车削、冲切、裁剪、焊接、也可热熔、冷锯、复合等。

⑶、优良的综合性能；

高分子汽车材料的另一个优点是具有多种功能，可而被用于特殊的场所。大多数高分子材料除了具有可塑性外，还有众多优秀的理化性能。塑料具有良好的绝缘性能、卓越的防腐蚀性能、耐老化性能、良好的耐磨和耐洗刷性能、良好的防水性能和力学性能、良好的粘结结合性能，被加工成各种被加工成各种要求多种性能和功能的汽车内外饰件。

⑷、优秀的装饰效果；

高分子汽车材料最突出的优点是装饰效果优秀。它可以被一次加工成具有复杂造型和多种色彩的制品，有时还需印刷、贴膜、轧花、复层、着色，加工成具有非常逼真的形象、花纹和图案，可以仿制天然木材、金属、动物皮的纹理，还可以表面烫金、贴膜、镀银、镶嵌等。

⑸、节能和环保；

高分子汽车材料还有一个优点是能节约能源和促进环保。由于能替代大量的天然材料，就可以相应节约大量的资源，起保护森林和石材资源的作用，不破坏更多的生态环境，具有节能的社会价值和环保意义。同时，相应实验得出，汽车轻量化1% 油耗降低0.7%，这一点进一步体现了高分子汽车材料的经济性和相应的环境利益。由于塑料加工成型的方便性，制造高分子汽车需要的能源远远小于加工同等功能的天然材料，比如钢铁、动物皮等，可节约大量人工和能源。大多数汽车材料用的塑料是热塑性塑料，其废旧料能方便地回收，直接再制造，使高分子汽车材料走上可持续加工的清洁生产道路，有着极其积极的环保意义。

高分子汽车材料的特性还有很多，其中也有一些不如传统材料的地方，主要缺点表现在它的刚性、耐热性和可燃烧性、耐老化性能、表面耐刻划性和抗冻性等。

2、缺点： ⑴、刚性差；

高分子建筑材料具有很好的可塑性，但它的刚性较差，因此不能将它用于要求有较大承载力的地方或作为主要的受力结构件，否则会因刚度不够引起失稳等破坏；另外，它的抗变形能力也不如天然材料加工的传统材料。

⑵、耐热性差；

耐高温性能差是高分子汽车材料的另一个主要缺点。大部分热塑性高分子汽车材料的工作温度都在摄氏80度以下，该温度以上会成为粘流态或粘流过度态，常会发生热变形，使高分子材料不能维持原来的形状和结构，性能也会发生很大变化。

⑶、抗冻性能差；

很多塑料具有冷脆性，主要表现在塑料件在冬天时用时，受到冲击力特别容易引起冲击破坏，由于这一原因使很多塑料在低温环境下的应用受到了限制。

⑷、可燃性；

与钢材相比，塑料的另一个缺点是具有可燃烧性。这是近年来高分子汽车材料应用过程中最受人们关注的问题之一，也是很多场合中最不放心使用高分子材料的主要

原因之一。塑料可分为两类，一类是不可燃烧的，另一类是可燃烧的。可燃烧的一类，一旦发生火灾或出现火灾隐患，是非常危险的。

⑸、耐老化性能差；

塑料的老化性能是长期以来制约高分子材料应用在汽车方面的又一个原因。高分子材料暴露于自然环境下，受到光、热、氧、水等因素的综合作用，其性能将不断恶化，使用寿命缩短。使之不能达到应有的使用年限。

三、汽车用塑料制品与材料：

1、聚氨酯泡沫塑料制品

聚氨酯泡沫塑料广泛应用于汽车内饰和吸收振动的零部件上。其主要制品有：仪表板、后视镜框、保险杠、座椅软垫、头枕、转向盘、控制箱、仪表板防振垫、前后支柱装饰、中间支柱装饰、前顶衬里、窗框架、顶棚与侧顶架装饰、门衬板、遮阳板、后顶架装饰等。

2、工程塑料汽车零部件

工程塑料制造的汽车机能件较多，其中常见的零部件有：散热器格栅（其材料有ABS 、20％玻璃纤维增强聚丙烯）、空气滤清器壳（聚丙烯）、行里箱盖（聚丙烯）、仪表板（聚丙烯）、曲轴箱盖（尼龙6）、正时齿轮链盒（聚丙烯）、正时齿轮（30％玻璃纤维增强聚甲醛）、挡泥板（尼龙R －RIM ）等。

3、塑料基复合材料汽车制品

塑料复合材料如SMC 、DX （聚甲醛复合材料）开始用于制造汽车结构件，对减少汽车自重起了重要作用。如SMC 材料模压成型制造汽车门板，聚甲醛复合材料制造传向节主销衬套。

4、汽车常用塑料及树脂缩写代号及全称：

四、汽车常用塑料的具体性能与用途：

1、聚氯乙烯（PVC ）

聚氯乙烯由氯乙烯经自由基聚合反应而成。聚氯乙烯塑料可制成硬质和软质的制品。硬质聚氯乙烯的力学性能较高，电性能优良，化学稳定性好，易熔接和粘接，价格低，产量大；其缺点是使用温度低（-15℃～55℃），线膨胀系数大，可用做化工耐腐蚀的结构材料，也可用做绝缘材料。软质聚氯乙烯的强度、电性能和化学稳定性低于硬质的，但耐油性和成型性能较好；其缺点是使用温度低且易老化，主要用做薄膜、电线电缆的套管和包皮、密封件等。

2、聚乙烯（PE ）

聚乙烯由单体乙烯本体聚合而成的结晶型高聚物，是当前产量最大的塑料品种。按其生产方式可分为高压聚乙烯、中压聚乙烯、低压聚乙烯，相应获得低密度聚乙烯、中密度聚乙烯和高密度聚乙烯3种类型。工业是以低密度聚乙烯和高密度聚乙烯应用最为普遍。高压聚乙烯密度低（0.910g/cm3～0.925g/cm3）、软化点低、质地柔韧，故又称为秧薄膜；其次用来制造容器管道、绝缘材料以及泡沫塑料等。中压聚乙烯结晶度和密度均较高，拉伸强度大，伸长率仅为20%左右。低压聚乙烯结晶度高（85%～90%）、密度大（0.941g/cm3～0.966g/cm3）、熔点较高、质地较硬，故又称为高密度聚乙烯。器力学性能和热学性能较好，主要用来制造容器、管道、绝缘材料以及硬泡沫塑料等。

分子量为2×10 6～6×10 6的聚乙烯称为超高分子量聚乙烯，具有优良的耐磨性、耐化学腐蚀性和抗冲击能，摩擦系数低，可自润滑，表面无黏着性，并且有良好地减少噪声作用。它主要用做包装材料和工程材料，用来制造精密齿轮以及耐磨部件等。

3、聚丙烯（PP ）

聚丙烯由丙烯在催化剂作用下经配位聚合而得。其特点是：密度小，为常用塑料中材质最轻的一种；强度、硬度、刚性和耐热性均优于低压聚乙烯，可在100℃～120℃长期使用；几乎不吸水，并有较好的化学稳定性，优良的高频电性能，且不受温度影响，易成型。但它低温发脆，不耐磨，易老化，成型收缩率小。它主要用来生产合成

纤维和塑料薄膜，也可用做质优价廉的工程塑料，用于制造容器，储罐、阀门等。用PP 制造的汽车用制品很多，有各种保险杠、板材、水箱、装饰板，PP 在汽车上的应用有越来越多的趋势。

4、聚苯乙烯（PS ）

聚苯乙烯由苯乙烯经自由基聚合反应而得，是无色透明、易着色、介电性能和耐辐射性能良好的刚性材料，但质脆而硬、不耐冲击、耐热性低（80℃）、耐有机溶剂性能较差。它主要用来生产注塑制品，广泛用于汽车仪表包装防震材料、隔热和吸声材料。

5、ABS 塑料

ABS 塑料是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯3种单体构成的一系列聚合物的总称，包括3种单体的共聚物、两种单体共聚物的混合物、接枝共聚物等。当前主要用接枝共聚工艺生产ABS 树脂。

ABS 为浅黄色粒状或珠状不透明树脂，无毒、无味、吸水率低，具有优良的综合性能。此外，容易电镀，易于成型，价格低廉。其缺点是：可燃，热变形温度较低，长期使用容易起层，耐候性较差。为改变这方面的性能，发展了用乙丙橡胶或氯化聚乙烯代替含有双键的丁二烯链段的高抗冲耐老化的三元共聚物。前者称为EPSAN ，后者称为ACS 。

ABS 塑料主要作为工程塑料，用做机器零件，各种仪表的外壳，设备衬里等。

6、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)

聚甲基丙烯酸甲脂是由甲基丙烯酸甲脂经自由基聚合而成，采用本体浇注方法直接生产板材、管、棒等制品。局甲基丙烯酸甲脂的特点是：适光性能优良，可见光透过率为92%，紫外光透过率为73.5%，透光率优于其他透明塑料和普通硅玻璃，强度是普通玻璃的8倍～9倍，但它比硅酸盐玻璃昂贵，所以主要用于汽车的尾灯罩、指示等罩、仪表透明罩板、模型材料等。

7、聚酰胺（PA)

聚酰胺，俗称尼龙，工业上重要的聚酰胺有尼龙-6、尼龙-66、尼龙-1010、尼龙-610以及共缩聚酰胺和耐高温的聚芳酰胺。由聚酰胺得到的合成纤维，我国称为棉纶。

聚酰胺塑料是最重要的通用工程塑料，其产量居5大工程塑料之首，主要用于汽车制造工业、电气工业和机器制造工业作为耐磨部件和一般零件。聚酰胺树脂大量用于生产合成纤维，另外还用于制造涂料和胶黏剂等。

聚酰胺是不透明或半透明的角质状固体，表面光亮度良好，无臭无味、无毒，抗霉菌，具有柔韧度好、强度高、耐摩擦、自润滑、电绝缘性好、耐弱酸碱和一般溶剂以及透氧率低的特点，但对强酸、强碱、酚类等抵抗力较差。此外，热导率低、热膨胀大，有冷流性及较大的吸水性和收缩率。

8、聚甲醛(POM)

聚甲醛由高纯度甲醛或三聚甲醛经阳离子催化聚合而得，聚甲醛是高度结晶的热塑性塑料，具有优良的综合性能。它突出的优点是：刚度高、硬度大、耐蠕变性和耐疲劳性优异。 另外，它的强度和冲击性能良好，并且容易成型加工。其缺点是：阻燃性较差，耐候性不理想。其产量仅次于尼龙合聚碳酸酯，位居第三。

它主要用作汽车零件的制造，如齿轮、轴承等。它是在众多领域中能代替钢、锌、铅、铜等金属材料的优良材料。 9、聚碳酸酯（PC ）

聚碳酸酯是淡琥珀色透明固体，具有耐热性优良，抗冲击强度高，刚度好，尺寸稳定性良好，吸水性、抗蠕变性能优良等特点。

聚碳酸酯在汽车中的应用有越来越多的趋势，PC 常用于需要采光又有一定强度要求、需直接接触光照处。

五、汽车常用塑料的再利用及分析

工程塑料回收的首要任务是对各类塑料的鉴别和分离 。塑料鉴别法主要有物理特性鉴别法 、综合鉴别法 、燃烧鉴别法 、近红外光谱鉴别法 、中红外光谱鉴别法和拉曼光谱鉴别法等 。塑料分离法主要有粉碎分离法 、浮选法 、电动分离法 、摩擦筒分离法 、温差分选法 、湿浆法 、溶液分选法 、准流体分离法和选择溶解分离法等 。

工程塑料的回收利用方法主要有物理再利用、化学再利用和能量回收 。工程塑料的物理再利用和化学再利用如表所示 ，工程塑料的能量回收是将废塑料燃烧 , 产生能量 , 并将燃烧的灰烬作为生产水泥的原料 。

汽车常用塑料的回收利用，是在汽车行业发展过程中，交汇于资源问题与环境问题的关键点，也是当今汽车行业发展的一个新的突破口。当前，车用材料回收任务相当艰巨 ，有待相关政府部门 、汽车制造商 、车用材料回收利用企业和相关研究单位和高校加强合作 ，着手建立和完善中国车用材料回收利用体系 ，促进汽车工业的可持续发展 。

六、汽车工程材料的发展趋势分析

1、总体发展趋势分析

1、各种材料在汽车上的应用比例正发生变化，铸铁、中、低强度钢的比例将逐步下降。

2、轻量化材料技术与汽车产品设计和制造工艺的结合将更为密切， 汽车车身结构材料将趋向多材料设计方向发展。

3、高分子材料等新型材料的用量将有所上升。

4、高强度材料、复合材料等轻型、新型材料取代钢铁材料。这些措施使汽车向轻量化、高效、节能、低噪声、高舒适度以及高安全性方向发展。

5、更重视汽车材料的回收技术。

2、高分子材料与汽车发展综合分析

作为一门新兴领域，高分子材料正以其独特的优越性逐渐与汽车行业相结合，具有巨大的潜在需求和良好的发展前景，其总体表现为各国在汽车工程材料上的研发投入加大，以及汽车行业对于材料性能要求的增高。

1、赛车领域

赛车代表了当今汽车制造的最高水平，从一定程度上指示着汽车的发展方向。现代F1赛车是一件科技的杰作。与F1赛车其他部件的开发原则相同，轮胎追求更轻和更坚固和材质。采用尼龙和聚酯材质构造的花纹可以比民用轮胎提供更大的抓地力支持。在F1比赛中，赛车通常可以达到1吨左右的下压力，4克的水平负载和5克的垂直负载。轮胎的柔软度会根据选用的化合物配方不同而发生变化，轮胎橡胶是选“硬”还是选“软”在每条赛道都会发生变化，根据赛道特性，轮胎制造商会做配方的调整。比赛时，车队可以自行选择偏硬还是偏软的轮胎，选定后不能更改。

2、民用车领域

目前在世界范围内约有92%的保险杠是用高分子材料制成的。因为用塑料制造保险杠可以根据美学和实用两方面来塑造时尚美观且不失功能化的造型。而且从强度上考虑，金属在受到轻的碰撞后，会在金属面上留下痕迹，而用塑料制造的保险杠对类似的危害有更好的防御性。现在的塑料保险杠是由三层组成：面板材料是用PP 、PE/ABS、PC/PBT；骨架材料可以是木材、金属；中间是以PP 发泡材料或PU 发泡材料。就目前的发展来看，此类材料不利于回收利用和不符合环境友好原则。近年来国外有人提出用TPE 来制造汽车保险杠面板，而用玻纤增强PP 制造骨架，再用发泡PP 制作中间的缓冲层，都是同一族的材料，有利于回收循环使用。在回收循环使用前，只要清洁和干燥处理，就可以按一定比例重新制造保险杠。

参考文献:

[1] 丁志华．汽车工程材料的现状与发展趋势分析[A]．《材料热处理技术》，2008.8

[2] 刘 波. 现代汽车与复合材料[A].《现代汽车与复合材料》，2007.7

[3] 张继游. 关于中国车用材料回收利用实证技术的探讨[A].《上海汽车》，2009.7