汽车塑料件设计简介

汽车设计中常用塑料材料及其合理选择方法

一、高分子材料的主要特征介绍

热塑性塑料

热塑性塑料是指在特定的温度范围内，能反复加热软化和冷却硬化的材料。高聚物由长分子链组成。热塑性高聚物的分子链有线型的或支链的结构。用相对平均分子质量来表征和测定高聚物分子链的长度。分子量越大，固态高聚物的力学强度越好，黏流态高聚物的黏度更高。

聚合物的聚集态结构

表2-2是一些碳链聚合物和杂链聚合物的结构

聚合物内分子链与分子链之间的聚集状态，即聚集态结构，也是聚合物的主要结构参

数。按照分子间的排列状况，可以将固态聚合物的聚集态分为结晶态、无定形态（即非结晶态），结晶态是指线型的和支链型的大分子，能够在三维方向上规则整齐的排列形成晶体结构。具有结晶结构的，或者能形成结晶结构的聚合物称为结晶性聚合物。

与此相反，分子链排列呈无序状态，则定义为无定形态。凡是在任何条件下都不能结晶的称为无定形聚合物。在晶体形成过程中，可能有一部分大分子或大分子链段没有机会结晶，成为聚合物中的无定形部分。结晶部分在聚合物中所占的比例称为结晶度。即便在同一品种的聚合物也因有结构上的差异而影响结晶度。例如低密度聚乙烯，由于其具有较多的支链，使链的规整性收到破坏，因而结晶度低于线型的高密度聚乙烯。

结晶度和无定形态是两

种不同的聚集状态，因此，导

致性能上的较大差异也是必

然的。

由于分子链在较高温度

下有自由卷曲的倾向，当对其

施加外历时，分子链便会伸

展。许许多多伸展的链沿力的

作用方向进行有序的排列，就

形成了取向态，将已经形成取

向态的聚合物降低温度，使其

冻结，取向结构便会保留于制

品中。

取向态和结晶态都以高

分子的排列有序为特征，所不

同的是，结晶态是三维有序，

并且是在合适的外界条件下

自发生成的；而取向态只是一

维或二维有序。如果作用力来

自于一个方向，则分子链单向

取向。

塑料的物态

聚合物在不同的温度条

件下可处于三种物理状态，即

玻璃态、高弹态和黏流态。大

部分塑料以温室下的玻璃态为特征。所谓玻璃态是指塑料在这一状态下呈刚性，质硬如玻璃受外历时变形很小而且是可逆的。塑料在这一状态下作为刚性材料使用，是合乎逻辑的。

当聚合物处于热加工状态时，温度升高引发了以下两种变化：一是分子运动不断获得能量，动能增加，相应的，分子间作用力减弱，分子运动的幅度和频率大幅增加；二是体积发生膨胀，提供了足够多的供分子运动的自由空间。由玻璃态转变为高弹态，状态发生转变时的温度称为玻璃化温度，简称玻璃化温度。

高弹态的分子运动发生了明显的变化，分子链中的几个或几十个链节组成的链段作为一个运动单元开始移动，在较小的外力作用下就可以有较大的变形，但变形仍是可逆的。状态的力学特征犹如室温下的橡胶。

状态进入黏流态时的温度称为黏流温度。黏流态分子运动的特征是，整个分子链可以运动，并且链与链之间会发生相对移动。流动的熔体不能保持自己的形状。

塑料加工性能评价

在体现聚合物加工性能的各个要素中，最重要的时加工稳定性和加工流动性。

（1） 加工稳定性，加工稳定性可以从两个方面来理解：①原料在成型过程中不

会发生不利于加工并改变原料结构的化学变化；②物料的流动处在一个比

较稳定的状态。

（2） 加工流动性，加工流动性表征的是 一定的温度及压力作用下熔体的流动

性能。在描述熔体流动性能时，剪切应力、剪切速率及黏度是应用最广泛

的术语。

熔体流动速率（MFR ）是指，在一定温度和负荷下，热塑性塑料熔体每10min 通过标准口模流出的重量克数。

螺旋线流动长度表示一定注射压力下，给定壁厚的熔体的最大流动长度，它可以作为材料进行最小壁厚的设计参数，通常用FLR 表示。一种材料流径比越大，熔体在给定工艺条件下的流动性越好，制件壁厚设计得薄得可能性越大。表2-6是部分热塑性塑料得流径比（FLR ）

结晶型材料的实用性能

聚合物的结晶对塑料材料得使用性能影响极大，结晶使分子链段排列紧密，大分子之间的作用力得到加强，因而能使聚合物的密度、拉伸强度、刚度、硬度、耐热性、抗溶剂性、抗滲透性都得到提高；而依赖于分子链段运动的有关性能，如高弹性、伸长率、冲击韧性等则有下降。此外，结晶对塑料的光学性能也有一定影响，除了极少数品种，大部分未经改性的结晶聚合物是不透明的。

二、汽车设计中常用塑料材料

以下我们列举出塑料最突出的几个优点，以此说明将塑料作为工业设计的首选材料应该是一个合乎逻辑的选择。

(1) 低密度，塑料的密度一般在0. 9～1.4g/cm，其重量可以比铝材和钢材分别轻20％和50

％以上；

(2) 透明、耐冲击，许多塑料具有非常好的透明性，透明性好的有机玻璃，透光率可达92

％，而且冲击强度是无机玻璃的250倍。

(3) 成型加工性优良，具体表现在：①成型方法多；②从原料到成品一次完成，形状复杂的

部件也可从原料到成品一次成型，而金属部件，加工出一个形状复杂的部件，可能要经过数十道工序；③较大的设计灵活性；

(4) 材料的可设计行强，可以用于塑料的合成树脂有300多种，经常使用的也有40余种；

(5) 理想的手感、触感和视觉效果；

1、聚乙烯（PE ）它是乙烯聚合的结晶型塑料。熔体的流动性能好。低密度聚乙烯（LDPE ），3

用高压法生产，结晶度较低为45％－65％，其柔软性、断裂生长率、重击强度和透明性较好。高密度聚乙烯（HDPE ），用低压法生产，结晶度高为85％－95％，具有较高的机械强度和使用温度，适宜中空吹塑，注射和挤出各种瓶、盆、桶、片材、管材和异形材。

设计注意：

①不耐高浓度氧化性酸和其他强氧化剂，60°以上可溶于某些有机溶剂。

②PE 塑料上最好不要直接嵌塑金属件。金属周围的塑料会因负载应力过大而断裂脱开。 ③动植物油、矿物油能使PE 溶胀，能引起制品机械受力部位周围的应力龟裂，这就是聚乙烯的环境应力开裂性。

④由于非极性、表面能低、印刷及粘结都比较困难。

⑤收缩性较大，且方向性明显，注塑制品易翘曲变形。

2、聚丙烯（PP ）它是密度小而耐热性较好的结晶型聚合物。性能与PE 相近，其成型收缩率大，熔体流动性好，有突出的抗疲劳性能。制品力学性能好，具有高的刚性和表面硬度，特别是有非常优异的耐弯曲疲劳性，能经受几十万次的折叠弯曲而不破坏，很适合用于铰链，长期使用温度可达120°C ，不受外力时最高可达150°C ，低吸水性，突出的耐化学药品性，能耐80°C 以下的酸、碱、盐及很多极性有机溶剂。PP 的低温重击强度低，它的玻璃化转变温度T g 为-20°C 左右，在此温度早已脆化。PP 制造的壳体等结构件，如经受过0°C 以下的冷冻，就要考虑可能会出现的破裂现象。因此需经复合或共混改性方法加以改善。

设计注意：

①耐日光性差，易发生热氧老化，用于室外需添加抗氧剂和光稳定剂。

②低温耐冲击性差抗蠕变性和耐磨性也不佳。

③避免与铜接触，铜盐溶液对PP 有特殊的破坏作用，因此制品中不宜有铜嵌件。 ④PP 成型收缩率较高，热膨胀系数也比较大。

⑤与PE 有相似之处，由于非极性的缘故，制品涂饰和粘结需表面处理。

PP 在汽车消费的塑料中占据最大份额，约占总市场的42％，大量的内饰件和外饰件如保险杠、仪表板、方向盘、蓄电池壳体、装饰板、冷却风扇、散热器罩、灯壳、挡泥板等。高冲击的弹性体增韧的PP 用于汽车保险杠材料。在欧洲95％的汽车保险杠材料采用这种材料。PP 的铰链特性使它在盒、罩、容器盖方面得到很多应用。

3、聚氯乙烯（PVC ）在PVC 树脂中加入各种添加剂，可制成各种性能的塑料制品。PVC 具有无定形聚合物特征，其熔体的热稳定性差，成型温度的范围小，对模具有腐蚀作用，在低温下，PVC 容易变硬、发脆，软质PVC 作为密封材料、装饰材料在汽车设计中常有应用。

4、聚苯乙烯（PS ） 它是无色透明塑料。PS 是无定形聚合物，熔体流动性好且不易分解，有良好的注塑工艺性。力学性能一般，抗重击性能差。在坠落和重击时容易断裂，塑件壁厚应均匀一致，各连接面处应有圆角，且不宜设计嵌件。塑件中残余应力过大时，会出现应力发白和裂纹。PS 有较大热膨胀系数。交替的膨胀和收缩力会使塑件的联接基座产生开裂。

设计注意：

①耐热性低，连续使用温度60－75°C ，容易燃烧，着火后，有浓黑烟产生。

②耐冲击性差，性脆，易开裂。

③大部分植物油及芳香油均能使制品溶胀或产生开裂

④耐日光性差，日光作用下易变色。

⑤与PE 有相似之处，由于非极性的缘故，制品涂饰和粘结需表面处理。

PS 需经材料改性才有更大的用途，比如抗重击聚苯乙烯（HIPS ）它为丁苯橡胶增韧改性的聚苯乙烯。与PS 相比有较高的韧性和冲击强度；另外，SMA 树脂，是由马来酸酐与苯乙烯单体进行无规共聚制备出来的一种新型工程塑料，具有较高的热稳定性，良好的低温冲击韧性，突出的化学稳定性。它是一种具有很大发展千里的新型热塑性塑料，它以每年15－20％的速度递增，SMA 将在汽车工业得到越来越广泛的应用。

5、ABS 它为苯乙烯－丁二烯－丙烯腈共聚的无定形塑料。ABS 通常有比HIPS 好的韧性，有较好的综合力学性能。熔体流动性中等，易于注射成型。成型收缩率小，制品尺寸稳定，使用温度为-40～100°C，化学稳定性好，良好的印刷性、染色性、粘结性，电镀性能良好，有令人满意的音响特性，故适合用于音响设备的外壳。ABS 常用来制造各种汽车配件和结构体，如手柄、灯罩、汽车仪表板、汽车格栅、以及经电镀等表面处理的装饰件。ABS 的面板、壳体和结构件制造的仪表，通常设计寿命为10年，仪表中最早开裂的部位是壳体上螺纹牙，及邻近受装配紧固力的螺钉孔和台柱。

设计注意：

①由于组分中丁二烯的缘故，耐气候性不佳，长期暴露在阳光下，易变色、降低强度。 ②易燃，氧指数为19，燃烧时发烟量大。

③低温抗冲击性不好，-20°C 时韧性大大下降。

玻璃纤维可以大大提高ABS 的力学性能，拉伸强度、弯曲强度可以提高2-3倍，，ASA 是以丙烯酸酯代替ABS 中易老化的丁二烯组分，坑紫外线辐射性比ABS 提高6-10倍。

6、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 它是一种透明度高的无定形塑料，俗称有机玻璃。有机玻璃的表面硬度差，易被硬物擦伤起划痕。环境应力裂纹是PMMA 的又一弱点。

7、聚酰胺（PA ） 它为多品种的结晶型聚合物，俗称尼龙。坚韧、耐磨且耐疲劳，但及能吸湿。熔点高，熔融温度范围窄。注射前必须充分干燥物料。熔体黏度低，注射塑料时很容易出现流延和溢边。模具温度高低影响结晶度。塑料件的成型收缩率大，且有波动。成型的制品因吸湿等原因，尺寸不稳定。PA6弹性好，冲击强度高，吸水性较大。PA66强度高，耐磨性好。

尼龙具有优良的耐摩擦性和耐磨耗性，并有自润滑性。无油润滑的摩擦系数通常为0.1-0.3；大部分品种长期使用温度一般都在80°C 左右，个别品种可达150°C ，脆化温度一般都可达到-30°C ；尼龙不溶于大部分非极性溶剂，特别是汽油、润滑油盒动植物油。

聚酰胺制品的失效有四个特征。第一，PA 在高温下加工时的水解作用会使材料降解。因此原料中的含水量必须严格限制，降解使PA 的平均分子质量降低，造成制品强度下降。第二，PA 在固化结晶时，要有充裕的结晶时间，结晶度愈高，晶粒愈细，冲击韧性愈好。为获得一定的性能，必须控制好结晶度。第三，制品在使用期内吸水，能起增韧作用。水对PA 制品可能是需要的，也可能不需要。控制制品中含水量，是防止塑件失效的重要方面。第四，PA 制品中含水量也影响到尺寸，吸水膨胀会改变尺寸，使塑料尺寸超出公差。

设计注意：

①大部分品种吸湿性强。

②尼龙在干态或低温下使用韧性较差，尤其是带有金属嵌件的制品，易发生应力开裂。 ③由于尼龙吸水性强，影响尺寸稳定性、抗蠕变性，故不宜用于尺寸精度要求较高的零部件。 ④不适宜长时间接触含有着色剂的介质，如果汁、咖啡、茶、唇膏等。

8、聚碳酸酯（PC ） 它是无定形聚合物，有突出的抗冲击强度和抗蠕变性能，并较能耐寒耐热。PC 的力学性能和电绝缘性能优良，并有较好的透明度。制品成型收缩率较小，塑件尺寸精度高，它是产量仅次于PA 的工程塑料。PC 的冲击强度是有机玻璃（PMMA ）的2-3倍，蠕变性约为PMMA 的10％，PC 可在-100°C －300°C 范围内长期使用，热分解温度＞310°C ，可燃烧规格属自熄性；室温下可以耐稀酸，对醇、油、盐类等比较稳定，但甲醛例外。

PC 熔体的黏度高，流动性差。所需模具的温度高，成型件脱模困难。物料注射充模时流动和温差产生的残余应力较高。尤其在塑料件的嵌件周围，成型孔的周边和截面突变处。在外力等环境因素下，易产生应力开裂。PC 制品有较高的缺口敏感性，低温脆化温度在-15°C 以下。利用PC 的透明性、耐气候性及抗冲击性能，制作高强度抗冲击透明板材，代替玻璃和有机玻璃；一些重要的PC 合金主要应用在汽车工业，如PC/ABS，几乎半数以上用于汽车工业。典型的应用包括内饰件，如仪表板、仪器外壳、驾驶杆贴面；外饰件，如挡泥板、保险杠、车轮护盖、尾灯外壳、车身部件、反光镜等，要求耐气候性高的零部件可选用PC/ASA、PC/SMA等合金材料。

设计注意：

①耐疲劳强度较低，易产生应力开裂，制品中应尽可能少用金属嵌件，确有必要的，需参照有关设计规则。

②对缺口比较敏感，制品有缺口时，冲击强度明显下降。

③不耐碱，可溶于芳香烃、卤代脂肪烃，丙酮会促使制品应力开裂。

9、聚甲醛（POM ） 它是高结晶度的聚合物，具有优良的物理和力学性能。耐磨、耐水、耐腐蚀，尺寸稳定性好。熔体流动性中等，物料熔融温度范围小，热敏感性强，容易分解。用玻璃纤维增强改性，可减小成型收缩率。长期在大气中暴晒老化较快。长期使用温度-40-100°C ，高刚性、高硬度、高的弹性模量，兼有良好的冲击强度，其比强度、比刚性接近金属材料，摩擦系数、磨耗量很小，自润滑性优异；介电强度和绝缘电阻高，介质损耗小，耐电弧性也非常优良，湿度对电性恩哪个影响很小；对烃、醇、醛、酯、醚等有机溶剂和油类、汽车冷却液等油很高的抵抗性。

设计注意：

①对缺口比较敏感，在缺口存在的情况下，冲击强度将明显下降。

②不耐强酸和氧化剂，会发生应力开裂。

③在热水的长期作用下，会发生一定程度的湿热老化

④耐辐射性不好。

在汽车工业部门，聚甲醛主要用于汽车发动机燃油系统部件；汽车各种传动部件、耐磨件；含油聚甲醛特别使用于制造高负荷、低速条件下摇摆运动的各种构件，尤其饰汽车转向及悬挂系中的球座等。

10、聚苯醚（PPO ） 它是无定形聚合物，在五大工程塑料中用量排第五，其成型收缩率和吸水性小，阻燃性好。需300－330°C 的高温加热熔化，生产中用各种改性PPO ，其中以混合聚苯乙烯的改性PPO 的Noryl 应用最多。

设计注意：

①与PC 类似，容易产生应力开裂现象。

②耐溶剂性不是很好，在受力情况下，矿物油、酯类及酮类溶剂会使其产生应力开裂。 在汽车工业领域，聚苯醚用于制造汽车仪表板、汽车窗框、减振器、定时器、蓄电池板、格栅、轮罩、连接器、挡泥板、整体保险杠、阻尼板、后侧板、前后挡板、车尾门、燃油箱盖。

塑料代替金属的重要性能指标之一是最高温度。表1.2按热性能高低为序排列各种塑料的最高温度。

塑料的分解温度是指在此温度附近降温，可保持原有的全部性能。

三、汽车设计中常用塑料材料的选择方法

材料的选择不仅要保证塑料制品的功能，还要考虑加工生产、成本和供应。材料性能一般包括四方面：

①加工性能方面，熔体流动速率、熔融温度、加工温度范围、模塑成型收缩率。

②力学性能方面，拉伸强度、断裂伸长率、拉伸屈服应力、拉伸模量、弯曲模量（分别在22°C 、92°C 、120°C 和150°C ）、带缺口悬臂式冲击强度、硬度。

③热性能方面，线膨胀系数（CLTE ）、热变形温度（1.82MPa 和0.45MPa ）、热导率、比热容。

④物理性能方面，密度、吸水率（24h ）、介电强度（短时升压）。

⑤更高一层要求，现代塑料制品设计还需要塑料熔体的流变曲线，各种温度下的蠕变曲线和疲劳曲线等。

至于材料的选择，可先提出塑料件对原材料性能的数据表。然后对照选用塑料材料品种乃至品级。材料的选择大致有四个步骤。

①提出塑料件所需性能项目，除了加工性能、力学性能、热性能和物理性能外，还有实现各种功能的专项性能。

②提出对原材料性能项目的最低数值清单，表1.5所列是设计一个刚性热塑性塑料的结构件，对原词案例性能的最低要求，并已确定塑件注射模塑成型。

③初步选定一批候选材料，如表1.6所考虑的8种候选的塑料材料。

④由专门的性能和材料成本最终选定材料，见表1.7。