汽車輕量化中的化工材料的運(yùn)用分析

丁偉，張艷

(商丘師范學(xué)院，河南 商丘 476000)

0 引言

汽車產(chǎn)品發(fā)展過(guò)程，先后經(jīng)歷了獨(dú)立產(chǎn)品生產(chǎn)制造、流水線作業(yè)生產(chǎn)制造、工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條生產(chǎn)制造三個(gè)主要時(shí)期。每個(gè)時(shí)期的發(fā)展中，都以科學(xué)技術(shù)與管理技術(shù)在汽車產(chǎn)品生產(chǎn)制造中的運(yùn)用作為促進(jìn)因素。現(xiàn)階段，汽車產(chǎn)品已經(jīng)呈現(xiàn)出多元?jiǎng)恿Πl(fā)展趨勢(shì)，形成了柴油、汽油、油氣混合、天然氣、甲醇、電力、新能源等，多種動(dòng)力在汽車產(chǎn)品生產(chǎn)制造中的應(yīng)用。其中，新能源汽車在當(dāng)前的發(fā)展相對(duì)“火爆”。另外，隨著新材料的出現(xiàn)及應(yīng)用，汽車制造產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷新的變化，在多重發(fā)展路徑中，化工材料資源與汽車輕量化設(shè)計(jì)方案已逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

1 汽車輕量化概述

在諸多汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑中，汽車輕量化有利于提高汽車節(jié)能水平，增強(qiáng)其應(yīng)用方面的加速性能與操控性能，為汽車輕量化產(chǎn)品使用用戶提供全新、舒適的駕駛體驗(yàn)。使汽車輕量化發(fā)展成為了汽車整體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)中的一條新路徑，既可以滿足生態(tài)文明建設(shè)需求，也與我國(guó)汽車制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)方向趨于一致。所以，其發(fā)展前景相對(duì)客觀［1］。近年來(lái)，我國(guó)汽車工業(yè)圍繞節(jié)能減排的目標(biāo)，開發(fā)了許多新技術(shù)。采用高分子材料等新型化工材料替代鋼材，從而實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，取得了不菲的成就。從汽車輕量化實(shí)現(xiàn)方法看，一方面，它與我國(guó)汽車行業(yè)整體上的“工業(yè)設(shè)計(jì)能力”提高密切關(guān)聯(lián)。另一方面，新材料的研發(fā)設(shè)計(jì)與化工材料在汽車各大部位的應(yīng)用已呈現(xiàn)出多元化趨勢(shì)。所以，在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與化工材料研發(fā)應(yīng)用的共同作用下，有利于汽車輕量化的全面實(shí)現(xiàn)與發(fā)展。

2 汽車輕量化中的化工材料運(yùn)用現(xiàn)狀分析

下面從汽車輕量化中的化工材料運(yùn)用現(xiàn)狀，對(duì)汽車輕量化中的化工材料與其使用位置及其功能等展開分析。

汽車輕量化中應(yīng)用的化工材料，主要以塑料、復(fù)合材料為準(zhǔn)。在塑料方面，以工程塑料居多，如尼龍、高端聚烯烴、聚碳酸酯等。在復(fù)合材料方面，以樹脂基纖維增強(qiáng)材料為主，如碳纖維類的高性能纖維、環(huán)氧樹脂類的熱固性樹脂材料應(yīng)用等。而且，復(fù)合材料大多屬于高分子材料，其材料成型加工與應(yīng)用，也能夠以具有“質(zhì)量體系管理標(biāo)準(zhǔn)”特征的工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)制造。并且，實(shí)現(xiàn)“個(gè)性化訂制生產(chǎn)”目標(biāo)。此類材料在汽車輕量化生產(chǎn)要素層面的比較優(yōu)勢(shì)，集中體現(xiàn)在“技術(shù)含量高”“功能性強(qiáng)”“性能優(yōu)異”“質(zhì)量輕薄”等方面。從當(dāng)前化工材料在汽車輕量化中的運(yùn)用現(xiàn)狀分析，其運(yùn)用已經(jīng)涉及到整個(gè)汽車實(shí)體。比如，在動(dòng)力系統(tǒng)零部件中的運(yùn)用、在車窗零部件中的運(yùn)用、在內(nèi)飾與外飾中的運(yùn)用、在車身中的運(yùn)用等，幾乎涵蓋了整體汽車組成要素。以汽車輕量化中應(yīng)用相對(duì)普遍的塑料為例，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了40個(gè)部位的具體應(yīng)用[2]。

以車身中的化工材料運(yùn)用現(xiàn)狀為例，在“白車身”和“車身覆蓋件”主體結(jié)構(gòu)中，已獲得有效應(yīng)用。比如，在“白車身”方面，以工程塑料、CFRP—碳纖維復(fù)合材料為主的輕量化應(yīng)用，主要集中于受力結(jié)構(gòu)加固。典型的寶馬7系列汽車中，在骨架加固件的材料選擇方面，即以CFRP—碳纖維復(fù)合材料為準(zhǔn)。具體而言，在鋼材為主體的基本骨架基礎(chǔ)上，將CFRP—碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到了車頂橫梁、C柱和A柱加固件、行李艙和室內(nèi)隔斷等個(gè)別部位。從應(yīng)用效用看，車體骨架減輕量約為40 kg、整體車型減輕量約在130 kg。另外，在B柱中對(duì)尼龍塑料加強(qiáng)件的使用，也可以使整體減輕量達(dá)到2.9 kg。再如，寶馬i3系列中，對(duì)于CFRP—碳纖維復(fù)合材料的大量應(yīng)用，就是在寶馬i7系列減輕量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將減輕量，提高到了250 kg到350 kg范圍，其平均減輕量也達(dá)到了300 kg左右。

3 汽車輕量化中的化工材料用量分析

從汽車輕量化發(fā)展路徑中的化工材料用量情況看，一方面，主要通過(guò)化工新材料逐漸替代鋼材料，形成了“以塑代鋼”的基本使用方式。以PP—聚丙烯為例，主要是通過(guò)對(duì)其四大比較優(yōu)勢(shì)的有效發(fā)揮，借助“耐久”“外觀”“環(huán)保”“性能”功能特性，實(shí)施“以塑代鋼”方案。另一方面，在現(xiàn)階段汽車輕量化中的化工材料應(yīng)用基礎(chǔ)上，將原來(lái)的多元化應(yīng)用，逐漸轉(zhuǎn)向“專需專用”，更加強(qiáng)調(diào)不同部位中，“最適合”的化工新材料運(yùn)用。以PE—聚乙烯應(yīng)用為例，相對(duì)集中的應(yīng)用于燃油箱，屬于汽車油箱“專需專用”范疇。因此，化工材料在汽車輕量化實(shí)踐中的運(yùn)用，既有多元化特征，也強(qiáng)調(diào)其應(yīng)用的針對(duì)性與應(yīng)用效用的最大化。

根據(jù)北京石油和化學(xué)工業(yè)規(guī)劃院，2019年1月發(fā)布的“中國(guó)車用塑料量分析及預(yù)測(cè)”數(shù)據(jù)看，我國(guó)汽車輕量化中的化工材料用量相對(duì)較大，以“中國(guó)制造2025”中的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)—2017年、2020年、2025年為準(zhǔn)，PE—聚乙烯在三個(gè)年份中，汽車領(lǐng)域消耗量約為10萬(wàn)t、20萬(wàn)t、22萬(wàn)t；PP—聚丙烯在三個(gè)年份中，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)分別為190萬(wàn)t、210萬(wàn)t、280萬(wàn)t；PA—尼龍對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)分別為23萬(wàn)t、30萬(wàn)t、50萬(wàn)t。不同塑料材料在我國(guó)汽車中的用量分析與預(yù)測(cè)如表1所示。

表1 中國(guó)車用塑料量分析與預(yù)測(cè) 單位：萬(wàn)t

結(jié)合以上數(shù)據(jù)分析及預(yù)測(cè)結(jié)果看，我國(guó)汽車輕量化路徑下的汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，具有一定的發(fā)展前景。并且，對(duì)于化工材料的運(yùn)用，也趨于多元化應(yīng)用與專用化應(yīng)用相結(jié)合的方向。然而，這種以車用塑料消耗量為單一指標(biāo)的分析與預(yù)測(cè)結(jié)果，仍然不能反映出汽車輕量化中的化工材料運(yùn)用問(wèn)題。因而，有必要對(duì)化工材料在汽車輕量化運(yùn)用中存在一些問(wèn)題，做進(jìn)一步分析[3]。

4 汽車輕量化中的化工材料運(yùn)用問(wèn)題

首先，從汽車輕量化對(duì)化工材料的“需求側(cè)”，和化工材料的“供給側(cè)”分析，二者之間存在“非均衡性”。一方面，基于化工材料的相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)相對(duì)滯后，在化工“新材料”方面仍存在“短板”。由此造成了初級(jí)化工材料供給量大，新型材料供給量不足。另一方面，在滿足汽車輕量化對(duì)化工材料的運(yùn)用需求方面，初級(jí)化工材料存在生產(chǎn)過(guò)剩問(wèn)題；而在高分子合成材料，以及相對(duì)較新的化工材料方面，卻無(wú)法滿足汽車工業(yè)輕量化發(fā)展需求。比如，PC、PA產(chǎn)品自給率，分別為35%、50%，雖然有可拓展空間與可營(yíng)利空間，由于缺少創(chuàng)新性的研發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品出現(xiàn)，造成了其應(yīng)用限制。而且，存在工程塑料方面的改性產(chǎn)品問(wèn)題。通過(guò)參與國(guó)際同業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，可以對(duì)比出其使用性能，仍有可改善與提升之處。

其次，化工材料的系列產(chǎn)品，在質(zhì)量體系管理標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方面，存在一定不足，導(dǎo)致了產(chǎn)品系列應(yīng)用方面的“非標(biāo)準(zhǔn)化”。同時(shí)，在生產(chǎn)工藝和汽車輕量化市場(chǎng)化訂制需求方面，存在一定差異，易引發(fā)“訂單處理”后，生產(chǎn)與應(yīng)用脫節(jié)現(xiàn)象。尤其在當(dāng)前，大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了汽車輕量化產(chǎn)業(yè)之中，對(duì)于各項(xiàng)化工材料應(yīng)用數(shù)據(jù)的持續(xù)性分析，基本能夠確定其產(chǎn)品系統(tǒng)性較差的論斷。從原因方面看，主要是在汽車產(chǎn)業(yè)初步轉(zhuǎn)型后，對(duì)新型汽車產(chǎn)品生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)鏈條的全面分析不足，導(dǎo)致了化工材料研發(fā)設(shè)計(jì)，與汽車輕量化發(fā)展之間的“非對(duì)應(yīng)性”[4]。在具有突破性的新材料研發(fā)方面，由于“缺新”，未能建立有效的“材料引領(lǐng)發(fā)展”模式。

5 汽車輕量化中的化工材料運(yùn)用建議

為了化解以上問(wèn)題，應(yīng)該吸收汽車輕量化產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，創(chuàng)建的“產(chǎn)業(yè)鏈思維”。將汽車輕量化中運(yùn)用的化工材料，一個(gè)專業(yè)項(xiàng)目。然后，運(yùn)用現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)鏈中的“6+1”模式、“4+1”模式，增強(qiáng)化工材料的研發(fā)設(shè)計(jì)。

比如，在當(dāng)前大數(shù)據(jù)應(yīng)用條件下，就可以按照“訂單處理+工藝優(yōu)化+生產(chǎn)制造+售后服務(wù)”四大主要環(huán)節(jié)，實(shí)施一體化的化工材料生產(chǎn)制造，使其與我國(guó)汽車輕量化發(fā)展中的“訂制化需求”對(duì)應(yīng)起來(lái)，建立起相對(duì)均衡的“需求—供給”關(guān)系。

再如，從化工材料產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展的角度，結(jié)合總體經(jīng)濟(jì)體系框架提出的“系統(tǒng)性思維”，運(yùn)用“產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)制造+系統(tǒng)性生產(chǎn)管理”的基本方式，按照“化工新材料研制項(xiàng)目立項(xiàng)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料生產(chǎn)、訂單處理、市場(chǎng)銷售、售后服務(wù)”的“6+1”模式，逐漸開發(fā)化工新材料，并結(jié)合當(dāng)前我國(guó)同業(yè)質(zhì)量體系管理標(biāo)準(zhǔn)，解決其系列產(chǎn)品系統(tǒng)性差的問(wèn)題［5］。

另外，應(yīng)該從“中國(guó)制造2025”工業(yè)戰(zhàn)略視角，發(fā)展以專門化為汽車輕量化服務(wù)的化工材料產(chǎn)業(yè)，通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈條上的資源優(yōu)化配置，逐漸在增強(qiáng)自身化工材料自給率的同時(shí)，擴(kuò)大化工材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在整體上匹配汽車輕量化產(chǎn)業(yè)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，一方面，應(yīng)該在汽車輕量化發(fā)展過(guò)程中，對(duì)化工材料運(yùn)用位置、材料運(yùn)用量、材料運(yùn)用問(wèn)題進(jìn)行全面解析。另一方面，應(yīng)該從國(guó)際市場(chǎng)與國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的“雙重透視角度”，重視汽車輕量化中國(guó)際同業(yè)研究前沿中的新材料研發(fā)設(shè)計(jì)與應(yīng)用情況，盡量在“同級(jí)發(fā)展水平”下，通過(guò)“大數(shù)據(jù)”對(duì)我國(guó)汽車輕量化方面的材料實(shí)施數(shù)據(jù)分析，為新材料的研發(fā)設(shè)計(jì)和常規(guī)化工材料的運(yùn)用，提供相對(duì)精準(zhǔn)的工藝參數(shù)，擴(kuò)展我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)在輕量化發(fā)展路徑中的化工材料應(yīng)用效用。