隨著時代的進(jìn)步，現(xiàn)代科技的高速發(fā)展與汽車的迅猛發(fā)展，新材料和新工藝的不斷進(jìn)步，時下人們對現(xiàn)代汽車提出一系列更高的要求：舒適性、安全性、環(huán)保性和美觀性等方面。在這種背景下，汽車的輕量化、節(jié)能降耗、低成本化已經(jīng)成為了汽車工業(yè)設(shè)計(jì)的主導(dǎo)。而汽車的輕量化除汽車車身應(yīng)用輕量化的鋼材以外，在占據(jù)汽車重量一大部分的內(nèi)飾件應(yīng)用輕量化樹脂材料也是汽車輕量化研究的重要部分。本文就汽車內(nèi)飾件應(yīng)用輕量化樹脂材料進(jìn)行闡述，以期對輕量化樹脂材料在汽車內(nèi)飾中的推廣應(yīng)用起到較好的促進(jìn)作用。

    1、輕量化汽車設(shè)計(jì)的概要與樹脂基材料在汽車的應(yīng)用：

    首先，汽車輕量化是節(jié)能和降低排放的重要方法和途徑，使用塑料能有利于減輕汽車重量，從而間接提高汽車動力性。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)研究，每百公里油耗y與汽車自身重量x的關(guān)系為：y=0.003x+3.3434,也就是說，對一般汽車而言，汽車自重減輕10%，可節(jié)油6%—8%，由此可見汽車輕量化對于節(jié)約能源具有重大的意義。輕量化是當(dāng)前汽車工業(yè)的發(fā)展方向，樹脂基材料開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新是汽車輕量化的關(guān)鍵所在，這主要表現(xiàn)在兩個方面 : 一是新型高強(qiáng)度或 （和） 低密度輕質(zhì)材料的開發(fā)和輕質(zhì)零件的制備，用其取代傳統(tǒng)鋼鐵零部件， 可以大大減輕汽車自重，如高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂合金等金屬材料以及高分子材料和復(fù)合材料等；其二是采用新的成形工藝實(shí)現(xiàn)零件及車身部件結(jié)構(gòu)的簡化和輕型化，節(jié)約生產(chǎn)材料、提高工作性能。

    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質(zhì)量，首先要從汽車的結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)開始。現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)，幾乎全部應(yīng)用CAD/CAE/CAM分析技術(shù)，可利用FEA有限元分析功能來分析零部件的結(jié)構(gòu)的運(yùn)動軌跡、應(yīng)力分布，并對生成的相關(guān)應(yīng)力圖進(jìn)行工程分析與剛度、強(qiáng)度計(jì)算，對局部進(jìn)行優(yōu)化既強(qiáng)化設(shè)計(jì)，達(dá)到整車質(zhì)量輕量化與最強(qiáng)、最安全的整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

    汽車輕量化常用材料有：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、碳纖維符合材料、玻璃纖維復(fù)合材料等。雖然鋼材在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有著不可或缺的地位，但由于其自身密度大的缺點(diǎn)與隨著對樹脂材料、塑料及聚合物材料的研究與開發(fā)，“以塑代鋼”已成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，并從汽車結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展到整個汽車的內(nèi)外飾件。

    汽車內(nèi)飾件包括儀表板、車門內(nèi)板、方向盤、座椅、頂篷、地墊、遮陽板、儲物盒、煙灰缸等，另外還有一些附屬設(shè)備如音響、空調(diào)、通信、電視、照明燈具等；汽車外裝件，包括保險(xiǎn)杠、散熱器格柵、側(cè)防撞條、后導(dǎo)流板、各種車用燈具、車用玻璃，以及車門把手、雨刮、門鎖等車身附件。這些內(nèi)外飾部件的功能、形狀和結(jié)構(gòu)各異，將它們有機(jī)地組合在一起，形成一個統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、美觀的內(nèi)外飾系統(tǒng)。其中的很多部品使用的材料均為塑料類材料，目前世界上不少轎車的塑料用量已經(jīng)超過120千克/輛，個別車型還要高，德國奔馳高級轎車的塑料使用量已經(jīng)達(dá)到150千克/輛。國內(nèi)一些轎車的塑料用量也已經(jīng)達(dá)到90千克/輛。圖1表示汽車內(nèi)飾件材料應(yīng)用的現(xiàn)狀。
 

    圖1

    2、樹脂基復(fù)合材料的組成與分類

    樹脂基復(fù)合材料是以合成樹脂為基體，以纖維為增強(qiáng)材料，在一定溫度、壓力作用下，經(jīng)成型技術(shù)塑造成不同形狀制品的一種新型復(fù)合材料。與鋼鐵材料、鋁合金等傳統(tǒng)材料相比，樹脂基復(fù)合材料具有重量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、減振性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，隨著對樹脂基材料的進(jìn)一步研究與開發(fā)，其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，并成為了汽車上重要的輕量化材料，樹脂基復(fù)合材料越來越多地取代了傳統(tǒng)的金屬材料。

    樹脂基復(fù)合材料主要組成是樹脂基體和纖維增強(qiáng)材料。樹脂基體包括熱固性樹脂和熱塑性樹脂；增強(qiáng)纖維材料常用的有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等。樹脂基復(fù)合材料按基體可分熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料，其性能與樹脂基體有密切關(guān)系。

    2·1熱固性樹脂與熱塑性樹脂的特點(diǎn)：

    熱固性樹脂初加熱時軟化，可塑造成型，但固化后再加熱時將不再軟化，也不溶于溶劑。常用的熱固性樹脂有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚醋樹脂和有機(jī)硅樹脂等。熱塑性樹脂加熱時會軟化和熔融，可塑造成型，冷卻后即成型并保持即得形狀，這一過程具有重復(fù)性。應(yīng)用較多的熱塑性樹脂是：尼龍、聚烯烴類、聚苯乙烯類、熱塑性聚醋和聚碳酸醋等。而車用復(fù)合材料的樹脂基體，目前仍以熱固性樹脂為主，但熱固性復(fù)合材料的缺點(diǎn)是廢棄物回收再利用困難。隨著國際社會對環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，熱塑性樹脂基復(fù)合材料越來越受到人們的關(guān)注。與熱固性樹脂基復(fù)合材料相比，熱塑性樹脂基復(fù)合材料有許多優(yōu)點(diǎn)。例如斷裂韌性高、成型過程中無化學(xué)反應(yīng)，因此成型速度快，成型周期短；預(yù)浸料可以無限期存放，且對存放無特殊要求，易于回收再利用，不環(huán)境污染；能夠?qū)嵞軌驅(qū)崿F(xiàn)快速、無污染、自動化生產(chǎn)。

    2·2樹脂基復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用：

    在汽車用樹脂基復(fù)合材料中較典型的是用玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料 （GFRP）在我國俗稱“玻璃鋼”，它具有強(qiáng)度高、工藝性能好、價(jià)格低等特點(diǎn)，可用于制造保險(xiǎn)杠、發(fā)動機(jī)罩、擋泥板，甚至于整個車身殼體。汽車上常用的玻璃鋼有：聚苯乙烯玻璃鋼、尼龍66玻璃鋼、聚醋樹脂玻璃鋼等。隨著原材料的發(fā)展與工藝上的改進(jìn)，在汽車中大量應(yīng)用玻璃鋼/復(fù)合材料將是今后汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

    碳纖維增強(qiáng)塑料 （CFRP） 是汽車輕量化最理想的材料，表1為主要復(fù)合材料增強(qiáng)項(xiàng)物理性能比較。從表1看出，高強(qiáng)鋼筋、玻璃纖維、碳纖維三種材料的比強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度/ 表觀密度）分別是23,101,272，其中碳纖維最高。
 

    樹脂基復(fù)合材料在汽車上用途廣泛，可用于制造汽車外板、汽車結(jié)構(gòu)件\內(nèi)外飾件、發(fā)動機(jī)及發(fā)動機(jī)周邊部件等。應(yīng)用范圍由內(nèi)飾件、覆蓋件向外裝件、結(jié)構(gòu)件和功能件發(fā)展。傳統(tǒng)的車身材料通常采用高強(qiáng)度薄鋼板，為了減輕汽車自重，采用樹脂基復(fù)合材料代替鋼材，已成為汽車材料應(yīng)用發(fā)展的必然趨勢。通用公司早在1953年就推出克爾維特（Corvette）牌全塑車身的轎車，除翼子板用尼龍注射成型外，所有殼體都是用玻璃纖維增強(qiáng)塑料 （FRP） 壓鑄模塑成型的。到1980年已有65% 的美國轎車采用玻璃鋼片狀模塑料作前臉和散熱器護(hù)柵板[7]。目前樹脂基復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)件（如骨架、梁、柱等）、覆蓋件（如前臉面罩、前翼子板、發(fā)動機(jī)罩、頂蓋、車門、行李箱蓋、后側(cè)板等）以及保險(xiǎn)杠、油箱等車身部件：包括車身殼體、車蓬硬頂、天窗、車門、散熱器護(hù)柵板、大燈反光板、前后保險(xiǎn)杠等以及車內(nèi)飾件。這是玻璃鋼／復(fù)合材料在汽車中應(yīng)用的主要方向，主要針對適應(yīng)車身流線型設(shè)計(jì)和外觀高品質(zhì)要求的需要，目前開發(fā)應(yīng)用潛力巨大，應(yīng)用范圍局廣，包括結(jié)構(gòu)件：前端支架、保險(xiǎn)杠骨架、座椅骨架、地板等，主要使用高強(qiáng)SMC、GMT、LFT等材料；功能件：發(fā)動機(jī)氣門罩蓋、進(jìn)氣歧管、油底殼、空濾器蓋、齒輪室蓋、導(dǎo)風(fēng)罩、進(jìn)氣管護(hù)板、風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇導(dǎo)風(fēng)圈、加熱器蓋板、水箱部件、出水口外殼、水泵渦輪、發(fā)動機(jī)隔音板等，其主要特點(diǎn)是要求耐高溫、耐油腐蝕，以發(fā)動機(jī)及發(fā)動機(jī)周邊部件為主，主要工藝材料為：SMC／BMC、RTM、GMT及玻璃纖維增強(qiáng)尼龍等。表2 為樹脂基復(fù)合材料在車身相關(guān)部件上的應(yīng)用。
 

    結(jié)束語：盡管目前樹脂基塑料作為重要的汽車輕量化材料已大量應(yīng)用于汽車工業(yè)中，其應(yīng)用范圍由汽車內(nèi)裝飾件、覆蓋件向外裝件、結(jié)構(gòu)件方向發(fā)展。熱塑性復(fù)合材料因?yàn)樾阅軆?yōu)異，廢料可回收利用，不污染環(huán)境成為車用樹脂基復(fù)合材料的重要的發(fā)展方向[8]。但由于受限于對其的研究與開發(fā)水平，成型工藝、部件結(jié)構(gòu)開發(fā)的限制，樹脂基材料在整車的比重還有待提高，樹脂基材料在汽車上的應(yīng)用于對汽車輕量化的貢獻(xiàn)只是走出了艱難的一步，后面的路程漫長而遙遠(yuǎn)，任務(wù)艱巨。由于塑料的特性限制，其本身強(qiáng)度比金屬材料的強(qiáng)度差，一般情況下，車用部件的塑料化要隨之增加零件壁厚與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，因此今后有待開發(fā)出既便宜又有高強(qiáng)度的塑料是未來汽車輕量化與塑料化的主要攻堅(jiān)方向。

責(zé)任編輯：李玲珊

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