汽車常用材料的應用

劉小路

摘要：汽車行業經過數十年的快速發展，推動了汽車材料制品行業的巨大變革。在“十二五”期間，汽車制品行業在結構調整、轉型和發展中不斷升級。汽車制品行業的迅速發展，先后涌現出了諸多新型材料和新技術。其中，以汽車輕量化材料和以塑代鋼材料為典型代表，因其擁有成型任意形狀、生產率高、成本低等優點，推動了汽車領域的改性材料商業化的普及。結合汽車制品ISO質量體系管控，產品質量的穩定性及產品結構的合理性得到保證，有效的控制質量成本、減少浪費和提高生產率。

關鍵詞：改性材料;質量成本;

一、汽車常用材料PP和ABS的特點：

近年來，隨著對汽車燃料消耗和排放的規定日益嚴格，促進了汽車輕量化材料的快速發展，同時新能源汽車市場也應運而生并且發展迅速。非金屬材料在乘用車中的應用很常見，其應用比重在很大程度上也直接影響著汽車油耗（非金屬材料應用比重與燃油油耗成反比），隨著時代的變革非金屬材料的應用比重由原來的1/3逐年上升。其中，PP和ABS改性材料在汽車常用材料的應用中占據主導地位。

汽車常用材料PP、ABS材料特點如下：

聚丙烯（英文全稱：Polypropylene，簡稱PP）是一種半結晶的熱塑性塑料。它具有高抗沖擊性，強機械性能，耐各種有機溶劑和酸堿腐蝕。由于其低價格和優越的性能，汽車內外飾件的應用主要以PP材料為主，主要應用有：前后保險杠、主副儀表板、前后護板、下格柵、擋泥板、輪罩、導流板、A/B/C柱內護板、門板等。

丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物（英文全稱：Acrylonitrile Butadiene Styrene，簡稱ABS）是一種強度高，韌性好，且易于加工的熱塑性聚合物材料，是丙烯腈、苯乙烯、丁二烯三種單體的接枝共聚物，適于制作制造通用機械零件，減磨零件，傳動零件和電訊零件。它是一種用途極為廣泛的熱塑性工程塑料。汽車內外飾裝飾件以電鍍、燙印、水轉印等工藝為主題的零部件應用材料主要為ABS材料，主要應用范圍有：上格柵、尾翼、高光注塑件、背門牌照、電鍍裝飾件、中控面罩、扶手面板等。

綜上所述，通過單位換算可知：

1Mpa=10.3Kg/cm2=0.103Kg/mm2

即PP-T20材料的拉伸屈服強度可承受1.96Kg/mm2（試驗方法：按GB/T1040.2-2006/IA/50采用1A型式樣170mm*10mm*4mm進行試驗），目前汽車零部件單體重量不超過15Kg，因此PP和ABS材料的產品結構強度均可滿足任意產品裝飾件的強度要求。

二、國內汽車材料應用的現狀：

1）參考借鑒合資品牌車型材料的應用，盲目借用材料造成應用不合理，材料性能不符造成成本浪費同時也造成了生產成本的增加;

2）材料性能與結構設計不匹配，造成產品外觀不良，甚至造成產品的使用壽命不達標;

3）不同材料型號混用造成性能差異、不同材料批次保質期不同混用造成產品性能不穩定，造成產品批量質量問題;

4）對材料應用的剛度和強度的定義理解不透徹：

4.1）剛度是指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力。是材料或結構彈性變形難易程度的表征;

4.2）強度是指在力學上，材料在外力作用下抵抗破壞（變形和斷裂）的能力。強度是機械零部件首先應滿足的基本要求。

材料應用現狀案例：前臉格柵類產品參考通用設計一般采用ABS材料進行制作，因ABS材料擁有良好的光澤、質地較硬、韌性好、剛性強、機械性能適中等優點，是制作格柵的一種良好的通用材料。當長頭式卡車前臉大格柵按照一般的通用設計采用ABS材料時，由于發動機帶來的高頻震動加上前進氣大格柵自身應力集中問題，導致前進氣大格柵出現頻繁開裂。

經過對不同性能的ABS材料進行驗證、增加局部產品厚度（增加產品強度、去應力等方式）以及更改產品結構等方式進行產品試驗驗證，在同一工況下仍出現開裂，最終得出結論為ABS材料的剛度不能滿足于長頭式卡車工況。

后通過更換材料將ABS材料更換為PP材料，再進行產品試驗驗證（同一工況下），開裂現象解決。

由此可知，PP材料受力時抵抗彈性變形的能力比ABS材料強，雖然PP材料與ABS材料都是常見的汽車常用材料，但是根據產品所處工況，挑選恰當的應用材料是必要的，不僅能有效的確保產品質量同時還能有效的控制成本（PP材料價格成本低于ABS材料的價格成本），失敗的項目策劃包含的時間成本和質量成本，對項目造成了不可預估的損失。

三、汽車材料應用的發展形勢：

1）汽車輕量化材料技術及以塑代鋼是當今國際汽車制造業的發展趨勢;

2）材料回收二次開發，在滿足產品材料需求的性能外，可降低原料成本壓力，減少環境污染，為可持續發展做貢獻;

3）積極響應國家“節能減排”政策標準，向著節能、降耗的方向發展，提高材料性能的同時嚴格管控成本，促進了汽車材料應用的快速發展。

四、汽車材料改性的應用：

為了實現汽車輕量化目標，降低車身零部件的重量，通過將原材料PP進行改性優化、提升性能，研發了玻璃纖維增強塑料PP+30%GF，成功驗證了前端模塊以塑代鋼的可行性。

以塑代鋼除了重量減輕之外，其他零部件也可充分利用玻璃纖維成型允許的高度造型自由度，將具有不同厚度的部分削弱區域集成在一起，進一步減輕重量的同時仍可實現所需的功能特性。利用玻璃纖維代替鋼制前端模塊，使其減重達到30%。

五、汽車材料與工藝：

傳統儀表板制作一般采用注塑成型方式，注塑成型因材料、工藝的限制，存在劃痕、粒料熔融痕、熔接線等缺陷，針對劃痕、粒料熔融痕、熔接線等缺陷一般采用特殊的涂料配方來滿足儀表板的外觀質量。相對應產品就會存在色差風險同時也增加了成本。

通過材料改性及工藝調試和驗證：

1）通過將原材料進行改性，添加0.2～0.5%潤滑劑（增加材料表面潤滑性），1.2～2.0%滑石粉（通過減小滑石粉顆粒尺寸來增強材料致密性，從而提高產品的耐刮擦性），1.0～2.0%TiO2（增加材料硬度、彈性模量最大化），優化了模具零件生產外觀，減少了劃痕風險;

2）通過產品模流分析，采用順序閥澆口成型并優化模具溫度，優化成型工藝和澆口配置，最大限度地消除了粒料熔融痕外觀;

3）綜合分析添加劑的負載和類型與物理性能和材料成本之間的平衡，成本增加最小，且規避了色差風險。

4）通過配方優化，開發出用于儀表板的高耐刮擦聚丙烯材料：①耐刮擦性能由3N提高到17N;②模具特性不受影響;③物理特性不受影響;④零部件整體性能不受影響;⑤零件耐刮擦性能提升，整體零件合格率上升80%，間接的降低了生產成本。

六、汽車材料回收與二次開發應用

汽車材料回收主要針對同一類型的材料回收，因回收材料較之原材料性能會有所降低，以保險杠材料回收為例，二次開發應用需強化材料性能滿足單個零件要求，如：①擋泥輪罩;②發動機下擋泥板;③蒸發器箱體;④前后保險杠裝飾板等，可通過：

1）添加低分子添加劑改善粒料熔融流動性;

2）加入化學粘合填料和基體樹脂添加劑，提高彎曲強度;

3）添加高彎曲模量的填料和樹脂，收縮性能得到改善，彎曲模量增加;

4）添加彈性體增容劑改善拉伸伸長率等。

實現了保險杠材料回收以及二次開發應用，有效的減少了材料浪費，降低了原料成本壓力。

結語

通過材料改性來提高一些物理性能，已經開發出長玻纖增強材料、免噴涂材料、微發泡材料等汽車領域應用材料，擴大了汽車常用材料的應用范圍，逐步實現汽車輕量化目標，降低燃油消耗，并提高汽車舒適性和安全性。

參考文獻：

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[2] 陳紀欽主編，《汽車工程材料》[M]，重慶大學出版社，2010;

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[4] 張曉明，劉雄亞編著，《纖維增強熱塑性復合材料及其應用》[M]，化學工業出版社，2007;

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（作者單位：柳州安美科技有限責任公司）