國內(nèi)外汽車制造業(yè)正掀起一場(chǎng)革命，但都朝著高能源效率，高安全標(biāo)準(zhǔn)和高品質(zhì)的設(shè)計(jì)方向發(fā)展。

汽車的普及、保有量的快速增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的快速實(shí)施，導(dǎo)致道路擁擠不堪、道路交通事故頻發(fā)，噪音和廢氣對(duì)環(huán)境的污染等等，成為困擾人類生存環(huán)境的嚴(yán)重問題。人類面臨著石油資源的匱乏，自然環(huán)境的破壞，生態(tài)變化的危機(jī)。因此，社會(huì)對(duì)汽車制造業(yè)提出了要求：安全、節(jié)能、環(huán)保！

1 高品質(zhì)設(shè)計(jì)滿足高標(biāo)準(zhǔn)要求

實(shí)現(xiàn)節(jié)省資源、環(huán)保和節(jié)能降耗的目標(biāo)，必須從整車設(shè)計(jì)方面入手。從降低能耗的要求分析，可以通過：采用體積更小、品質(zhì)更輕、功率更大、耗油量更低、廢氣排放污染更少、技術(shù)更先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)；開發(fā)傳動(dòng)效率更高的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)；改善車身的形狀；減小空氣阻力；改善底盤的結(jié)構(gòu)；提高整體性能。其中車身和底盤部分在汽車總品質(zhì)中所占比例比較大，可改善空間大。除此之外，還必須考慮采用新型材料來降低整車的品質(zhì)，從而減少燃油消耗和廢氣排放。

堅(jiān)持高品質(zhì)設(shè)計(jì)是汽車工業(yè)發(fā)展的重要途徑，汽車是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品，由功能各不相同的幾個(gè)基礎(chǔ)部分、幾千個(gè)零部件組成，使用的材料種類也高達(dá)上百種。所以，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該首先堅(jiān)持輕量化、減量化，同時(shí)還必須考慮回圈經(jīng)濟(jì)和環(huán)保問題。

汽車輕量化，是指在保證汽車強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地減輕汽車的整車品質(zhì)。首先要從汽車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)開始，充分考慮到新材料(包括輕量化材料)的應(yīng)用?，F(xiàn)代汽車工業(yè)設(shè)計(jì)，幾乎全部采用了CAD/CAE/CAM技術(shù)，可利用FEA有限元分析功能來分析部件結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行為、應(yīng)力分布，并對(duì)生成的相關(guān)資料進(jìn)行工程分析與剛度和強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)局部進(jìn)行優(yōu)化及強(qiáng)化設(shè)計(jì)，達(dá)到輕量化的目的。

此車共計(jì)采用了160kg的CFRP，由此將鋼板用量減輕了550kg

減量化是一種顛覆傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的革命性設(shè)計(jì)手段，并不是單純的以減輕車身品質(zhì)作為最終目標(biāo)，它要從結(jié)構(gòu)方面考慮，本著功能集中的設(shè)計(jì)原則，盡最大可能的減少零部件的數(shù)量，減小零部件體積和外部尺寸，使結(jié)構(gòu)更加緊湊；從而達(dá)到在符合各種法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的前提下，在不影響整體性能的情況下，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、回圈經(jīng)濟(jì)的目的。

減量化是高品質(zhì)設(shè)計(jì)中的核心組成部分，要求必須從采用全新的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、先進(jìn)的控制技術(shù)、輕量化車身、新型高強(qiáng)度輕型材料、減少零部件數(shù)量、優(yōu)化結(jié)構(gòu)和提高工藝方面開始。形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)法，是基於生物學(xué)增長(zhǎng)規(guī)律的設(shè)計(jì)方法，既可減少車身部件數(shù)量，又可減輕零件品質(zhì)，還可延長(zhǎng)零件的使用壽命。采用形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的車型零件數(shù)可以從400個(gè)減少到少於100個(gè)，品質(zhì)減輕25～30%，最多可使裝車品質(zhì)降低500kg左右。由此，可看出這種設(shè)計(jì)的巨大潛力。

2 新型輕質(zhì)材料在汽車輕量化過程中的重要性

汽車常用的輕量化材料有：高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金、塑料及聚合物材料、樹脂基復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料等。雖然鋼鐵材料仍在結(jié)構(gòu)材料中保持主導(dǎo)地位，但比例逐年下降，鋁鎂合金、工程塑料、復(fù)合材料等材料比例逐漸增加?！耙运艽摗币殉蔀槠嚬I(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，可以做到從汽車結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展到整個(gè)汽車的內(nèi)外飾件。從結(jié)構(gòu)材料和功能材料的角度以及物理性能指標(biāo)等方面分析，塑料及復(fù)合材料無疑是最佳的汽車輕量化材料，也是實(shí)現(xiàn)輕量化的重要途徑之一。

3 塑料在汽車上的應(yīng)用

塑料是汽車上應(yīng)用最廣泛的輕質(zhì)材料。它是以合成樹脂為基體，加入不同的添加劑并在一定的溫度、壓力的作用下，塑造成各種形狀制品的高分子材料。塑料的種類繁多，按熱性能分為熱固性和熱塑性兩類；按應(yīng)用范圍又可分為通用塑料、工程塑料、高性能工程塑料。塑料幾乎可以應(yīng)用在汽車上的所有總成，行業(yè)內(nèi)習(xí)慣將它們分為內(nèi)裝(飾)件、外裝件和功能件(其他結(jié)構(gòu)件)。可以對(duì)汽車安全性、舒適性、輕量化、回收利用等的提升給予了較大的技術(shù)支援。

目前使用量最大的汽車塑料有PP(聚丙烯)、PUR(聚氨酯)、PVC(聚氯乙烯)、ABS、PA(聚醯胺或稱尼龍)和PE(聚乙烯)。隨著現(xiàn)代化塑料工業(yè)的發(fā)展，高性能工程塑料也越來越多的在汽車上應(yīng)用。

4 工程塑料和高性能工程塑料

工程塑料是指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的可作為結(jié)構(gòu)材料的塑料。工程塑料的主要特性是：密度??；比強(qiáng)度高；化學(xué)穩(wěn)定性好電絕緣性優(yōu)良；耐磨，具自潤滑性，可減低摩擦系數(shù)；耐熱性和尺寸穩(wěn)定性高；抗沖擊、抗疲勞性能優(yōu)良。

工程塑料除了具備這些優(yōu)異的性能，還可以采用通常的塑料加工方法加工成各種制品。廣泛應(yīng)用於汽車上。近年來，工程塑料主要是通過增韌技術(shù)，嵌段共聚或幾種聚合物混煉成為高分子共混物，以增加品種和改進(jìn)性能，使其抗沖擊強(qiáng)度更接近金屬。它與通用塑料并沒有明顯的界線，工程塑料最常見的種類主要有：聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚醯胺(PA，俗稱尼龍)、熱塑料性聚酯(PET、PBT)改性聚苯醚(PPO)等。

特種工程塑料是指綜合性能更高，長(zhǎng)期使用溫度在150℃以上的工程塑料。它具有：化學(xué)性能穩(wěn)定，自潤滑性能良好，硬度、強(qiáng)度和比強(qiáng)度高，阻燃性、電絕緣性和尺寸穩(wěn)定性好，相對(duì)密度和導(dǎo)熱系數(shù)小，品質(zhì)輕，可塑性、材料性能適應(yīng)性強(qiáng)，耐油、減震、隔音效果出色等優(yōu)異的性能，并且成本相對(duì)比金屬材料低等特點(diǎn)，未來在汽車上的應(yīng)用會(huì)非常廣泛。

高性能工程塑料有：聚醯亞胺(PI)、聚醚碸(PES)、聚碸(PSU)、聚氨酯(PU)。

塑料在汽車制造上已經(jīng)具有50多年的應(yīng)用歷史，汽車塑料的用量是衡量一個(gè)國家汽車生產(chǎn)技術(shù)水準(zhǔn)的標(biāo)志之一。從20世紀(jì)70年代開始，汽車塑料的應(yīng)用在從內(nèi)飾件向外部飾件逐步擴(kuò)展的發(fā)展歷程。大量使用塑料制品，以替代各種昂貴的有色金屬和合金材料，既可提高汽車造型的美觀與設(shè)計(jì)的靈活性,降低零部件加工、裝配與維修的費(fèi)用，又可以降低汽車的能耗。在歐洲，車用塑料的重量占汽車自重的20%，而每輛德國車平均使用塑料接近300kg，占汽車總重量的22%。塑料在汽車上的應(yīng)用數(shù)量日益增加，特別汽車內(nèi)飾件對(duì)材料提出了更高的要求。利用塑料的質(zhì)輕、防、吸振、設(shè)計(jì)自由度大的特點(diǎn)，現(xiàn)代汽車用塑料結(jié)構(gòu)件取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并且是今後的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

5 汽車工業(yè)發(fā)展前景和對(duì)塑料行業(yè)的影響

無論國內(nèi)還是國外,汽車都是發(fā)展最快的工業(yè)行業(yè)之一,行業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)呈現(xiàn)“井噴式”增長(zhǎng)。汽車工業(yè)的迅速發(fā)展,拉動(dòng)了汽車制造材料的旺盛需求，直接刺激了塑料工業(yè)的發(fā)展速度，塑料在汽車制造業(yè)中扮演著越來越重要的角色。

消費(fèi)者對(duì)汽車塑料應(yīng)用需求

內(nèi)飾材料異味已引起消費(fèi)者的廣泛關(guān)注，有無異常氣味已成為消費(fèi)者購買汽車的一個(gè)重要參考依據(jù)。國家《乘用車內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)指南》的推出，塑料產(chǎn)品的環(huán)保性能將面臨較大的挑戰(zhàn)，但是，很多國內(nèi)的汽車公司已經(jīng)開始針對(duì)汽車車內(nèi)材料、安裝工藝的環(huán)保問題進(jìn)行專題研究。鑒于國際知名汽車主機(jī)廠針對(duì)汽車內(nèi)飾件所使用的材料都有嚴(yán)格的氣味、揮發(fā)性氣體的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，并且這些標(biāo)準(zhǔn)隨著消費(fèi)者需求的提升而變得越來越嚴(yán)格。

汽車的普及，消費(fèi)者對(duì)於汽車有了更深入的了解，人性化、舒適性及安全性的要求也在與時(shí)共進(jìn)，輕盈、節(jié)能、美觀、安全、環(huán)保成為時(shí)尚。由於塑料制品具有良好的性能、低廉的價(jià)格、多彩的顏色搭配，簡(jiǎn)單的加工工藝,無疑能在滿足人們對(duì)汽車的要求中大有作為。

汽車塑料使用比例日益加大

在汽車工業(yè)領(lǐng)域大量使用塑料制品，以代替各種昂貴的有色金屬和合金材料，不僅可提高汽車造型的美觀與設(shè)計(jì)的靈活性,降低零部件加工、裝配與維修的費(fèi)用,而且還可以降低汽車的能耗。塑料制品的用量反映了一個(gè)國家汽車工業(yè)的發(fā)展水準(zhǔn)，德國每輛汽車平均使用的塑料制品已接近300kg，占汽車所用材料的22%左右，是世界上采用汽車塑料零部件最多的國家。日本每輛汽車平均使用塑料也達(dá)到了150kg左右，約占汽車材料消費(fèi)總量的12%；甚至有一家日本公司開發(fā)銷售的新型汽車，除座椅外，車頂、裝潢材料、儀表盤等內(nèi)飾件全部采用塑料制造。目前，汽車塑料制品應(yīng)用的趨勢(shì)由普通裝飾件發(fā)展到結(jié)構(gòu)件、功能，因而塑料原料的使用也由普通塑料(多用於汽車內(nèi)飾件)擴(kuò)展到強(qiáng)度更高、沖擊性更好的復(fù)合材料或塑料合金。

6 世界汽車塑料的發(fā)展趨勢(shì)

從現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)來看，對(duì)於材料性能的要求在不斷提高，而由此得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)材料技術(shù)也正在向高強(qiáng)度、高剛度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、高彈、高阻尼等性能大幅度提高的方向發(fā)展。高性能結(jié)構(gòu)材料的不斷出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，將會(huì)有力地促進(jìn)新產(chǎn)品向體積小、重量輕、資源省、低能耗、低成本、高效率、高利潤的方向發(fā)展。

目前，國外當(dāng)前研究的方向有以汽車熱塑性塑料復(fù)合材料為主要課題之一。樹脂材料研究的重點(diǎn)是不斷提高材料的物理、力學(xué)性能；材料開發(fā)已從昂貴的特殊專用樹脂轉(zhuǎn)向低成本的普通樹脂新品種體系；自增強(qiáng)樹脂也是當(dāng)前材料研發(fā)的一大熱點(diǎn)(如SR－PP)，歐洲重點(diǎn)放在連續(xù)層壓成形和模壓成形材料上，而北美關(guān)注的是注塑成型材料。

納米復(fù)合材料的研究和開發(fā)受到廣泛關(guān)注，主要有納米層狀二氧化矽、納米碳管來增強(qiáng)PA、PE、PVC，介面特性改善等等。納米增強(qiáng)纖維復(fù)合材料是目前新近興起的一種納米復(fù)合材料。歐洲目前正在研究利用納米碳管作增強(qiáng)體，開發(fā)阻燃、自增強(qiáng)SR－PP等高性能復(fù)合材料，如聚合物、鋼纖維等其他類型的增強(qiáng)體也受到關(guān)注。

出於環(huán)保的需要，天然纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料也是當(dāng)前世界各國汽車塑料的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。

近年來，日本各大汽車廠商、材料生產(chǎn)商、相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和汽車部件廠商投入了大量的人力和資金，用於新型材料的研發(fā)。經(jīng)常在國際展覽會(huì)上展示能夠大幅減輕重量的部件、新材料和新技術(shù)。他們基本上都是通過改變①材料、②形狀、③加工方法這三個(gè)途徑，減輕零部件品質(zhì)。今年則提出了改用樹脂和泡沫等材料，在維持剛性的同時(shí)削減多余厚度，通過改進(jìn)模具和思考新接合法節(jié)省現(xiàn)有部件的技術(shù)。

日本東麗開發(fā)出了在車輛骨架等部分采用碳纖維強(qiáng)化樹脂(CFRP)大幅減輕了車重的電動(dòng)汽車(EV)概念車“TEEWAVEAR1”。TEEWAVEAR1概念車為可上路行駛的車輛配置，各部件在制造時(shí)非常注重實(shí)用化。該車共計(jì)采用了160kg的CFRP，由此將鋼板用量減輕了550kg，是“適合量產(chǎn)的為熱可塑性樹脂”，該公司的目標(biāo)是“在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域掀起一場(chǎng)革命”。東麗公司將碳纖維定位為“戰(zhàn)略性擴(kuò)大業(yè)務(wù)”，汽車是最有望大量應(yīng)用這種材料的領(lǐng)域。計(jì)畫通過概念車擴(kuò)大汽車廠商對(duì)碳纖維的應(yīng)用。

日本帝人公司開發(fā)出了采用熱可塑性樹脂，用1分鐘時(shí)間便可成型CFRP(碳纖維強(qiáng)化樹脂)車輛骨架部件的量產(chǎn)技術(shù)，并公開了采用該技術(shù)制造的車體骨架。用CFRP成型的車體骨架為輕型車尺寸，重量降低到了采用鋼板時(shí)的約1/5，即47kg。部件個(gè)數(shù)為20多個(gè)。確保了骨架所必需的碰撞安全性及剛性。由於車輛地板下部確保了足夠的剛性，因而省去了中柱。帝人公司與美國通用汽車公司(GM)簽署了合作開發(fā)用於量產(chǎn)車的熱可塑性CFRP(CarbonFiberReinforcedPlastics，碳纖維強(qiáng)化塑料)部材產(chǎn)品的協(xié)定。

CFRP(碳纖維復(fù)合材料)與鋼板及鋁合金相比，雖可大幅減輕重量，但因?yàn)槌杀靖?，此前只被用在賽車及超?jí)車上。日本正在開發(fā)可快速且低成本制造CFRP的技術(shù)，RTM(樹脂傳遞模塑)成型工藝，RTM工藝可使高強(qiáng)度高剛性的熱塑性CFRP快速成型。通過成型後再向模具中注入樹脂，以及在強(qiáng)化纖維中不使用紡織品的改進(jìn)措施，來降低成本。采用該工藝每月可生產(chǎn)數(shù)千個(gè)CFRP部件，成型品的成本也有望降至原來的1/5～1/7。另外，使用原來的預(yù)浸料也可在5～10分鐘內(nèi)成型的技術(shù)也已誕生。

美國和德國是最重視環(huán)保和廢氣排放的，也是高分子工程塑料在汽車上應(yīng)用最多和研究最深入的國家。德國戴姆勒(Daimler)與德國巴斯夫公司(BASF)在法蘭克福車展(IAA2011，)上展出了共同開發(fā)的概念車“SmartForvision”。車輪采用樹脂制造，與采用金屬制造相比，每個(gè)輪子的重量減輕了3kg?；上缕焚|(zhì)的減輕對(duì)於提高乘坐舒適性和(燃油經(jīng)濟(jì)性)有著重要的意義。

它的駕駛室骨架由CFRP(碳纖維強(qiáng)化樹脂)制造，基體(Matrix)是環(huán)氧樹脂。重量比鋼制減輕了一半。而且，座椅骨架為樹脂一體成形，采用了可集中加熱中間部分和腰部的座椅加熱器等，從而減輕了座椅的重量。據(jù)稱通過加長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)PA(聚醯胺)的強(qiáng)化纖維而增大了強(qiáng)度。強(qiáng)度和耐久性均達(dá)到了可應(yīng)用于量產(chǎn)車的水準(zhǔn)。

雖然目前汽車新型材料技術(shù)水準(zhǔn)已經(jīng)有了質(zhì)的提高，但是，新材料技術(shù)研發(fā)必須解決以下問題，才有可能推動(dòng)在汽車上的應(yīng)用：

1）減少材料的種類：目前汽車上使用的材料(尤其是由高分子材料組成的塑料)高達(dá)上百種，材料生產(chǎn)工藝不同，通用性較差，不利於回收和回圈再利用。

2）可回收再利用性：因?yàn)樵谄嚿洗蠹s有1/4的材料無法回收和再利用；其中：橡膠占1/3、塑料占1/3、玻璃及纖維合占1/3。

3）低成本：制約汽車上使用新材料的重要因素就是成本，降低成本才是獲得在汽車制造業(yè)通往量產(chǎn)的必然趨勢(shì)。

4）縮短制作周期，提高生產(chǎn)效率：新材料（如：主要用於車身較大面積的覆蓋板的高性能工程塑料、玻璃纖維增強(qiáng)材料和碳纖維增強(qiáng)材料）的加工工藝相對(duì)復(fù)雜，加工周期比傳統(tǒng)鋼制車身長(zhǎng)。這也同樣是影響和制約汽車制造業(yè)采用這些新材料的重要因素。

5）材料的安全性，應(yīng)該滿足無毒、對(duì)人體無副作用的要求。

6）基本滿足汽車全壽命周期要求，不會(huì)出現(xiàn)早期材質(zhì)變化和老化等現(xiàn)象。

7 我國汽車塑料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

目前，我國汽車工業(yè)進(jìn)入了一個(gè)高速增長(zhǎng)的發(fā)展階段，汽車產(chǎn)銷量均已超過1800萬輛，居於世界第一位。在汽車產(chǎn)業(yè)快速增長(zhǎng)的拉動(dòng)下，一個(gè)圍繞汽車相關(guān)的高增長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)群業(yè)已形成，以塑料為代表的非金屬材料產(chǎn)業(yè)就是這個(gè)產(chǎn)業(yè)群之一。作為汽車上使用的重要材料，車用塑料的產(chǎn)值正在逐步增長(zhǎng)，其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)日益受到業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注。在汽車塑料技術(shù)應(yīng)用上,我國已采用如：氣體輔助注射成型技術(shù)、可熔型芯技術(shù)、三維和多層中空成型技術(shù)、表面處理技術(shù)等等。但國內(nèi)汽車用塑料材料無論用量、品種還是成型技術(shù)，目前還都處於比較低的水準(zhǔn)。

我國汽車塑料相關(guān)行業(yè)存在的問題主要有：自主研發(fā)能力差，只能跟在國外企業(yè)後面跑；產(chǎn)品水準(zhǔn)低、缺乏競(jìng)爭(zhēng)力；材料標(biāo)準(zhǔn)不一致、專用材料種類少；原材料品質(zhì)不穩(wěn)定；供需矛盾突出(需要的供應(yīng)不上，供應(yīng)的沒有需要)；成型工藝、模具制造等相關(guān)工藝、技術(shù)問題還沒有得到很好的解決。不過，隨著新材料及新成型技術(shù)的出現(xiàn)，我國汽車工業(yè)所用的塑料制品消費(fèi)量呈直線上升態(tài)勢(shì)。

我國的塑料原料科研開發(fā)部門、原料生產(chǎn)商和汽車零部件生產(chǎn)商，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，抓住機(jī)遇，瞄準(zhǔn)汽車塑料這塊“巨大的蛋糕”，加大研發(fā)深度、速度和力度，增加塑料原料的種類，尤其是開發(fā)可用作汽車功能件、結(jié)構(gòu)件的品種，建立自我產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)（汽車零部件），提高模具開發(fā)和制造能力，建立高水準(zhǔn)的汽車塑料零部件專業(yè)生產(chǎn)廠，為汽車制造業(yè)提供更多的選擇和支援。