高分子材料在新能源汽車輕量化中的應用及發展趨勢

摘要：以新能源汽車輕量化需求為背景，詳細探討常用高分子材料在汽車材料輕量化中的應用現狀，并對高分子材料未來發展進行展望。

關鍵詞：新能源汽車；輕量化材料；高分子復合材料；發展趨勢

隨著全球對環境保護意識的日益增強和能源消耗問題的突出，零排放、低能耗新能源汽車逐漸成為車壇新星，挑戰傳統燃油車的地位。據中國汽車工業協會統計，2023年我國新能源汽車產銷突破900萬輛，滲透率達31.6%，證明了新能源汽車的重大潛力[1]。我國在《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》明確指出，發展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路，是應對氣候變化、推動綠色發展、實現“雙碳”目標的戰略舉措。

然而，要實現新能源汽車的大規模商業化應用，除了提升電池技術和充電設施建設外，輕量化技術也成為一個至關重要的戰略。據相關研究表明，汽車整備質量每降低10%，能耗效率可提高6%～8%，續駛里程可增加5.5%，加速性能提高8%～10%，制動距離縮短2～7m，能有效減少對有限資源的依賴和實現碳零排放[2]。目前，我國新能源汽車的質量普遍較國外產品大10%～30%，如何實現新能源汽車“減負”是發展我國新能源汽車發展的重中之重。

新能源汽車輕量化途徑主要有三個：制造工藝、材料輕量化以及結構優化。其中，材料輕量化是最直接有效的減重途徑。在材料輕量化技術中，高分子材料因其良好的成型性、優異的力學性能和良好的抗腐蝕性等特點，逐漸成為新能源汽車中不可或缺的材料選擇，被廣泛應用于車身結構件、電池包殼體、內飾件以及各類功能件。

本文將深入探討常用高分子材料在新能源汽車輕量化中的應用現狀和發展趨勢，分析其在不同部件中的具體應用案例，探討性能優化與技術發展的最新進展，并展望未來可能的研究方向和技術突破，旨在為推動新能源汽車技術創新和產業升級提供理論支持和實踐指導。

ABS材料

ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三種單體共聚而成的熱塑性聚合物樹脂，具有良好流動性、韌性、尺寸穩定性和高耐熱性，廣泛應用于機械、汽車、紡織和建筑等領域。然而，ABS塑料存在耐候變色、易燃等缺點，在汽車上應用（見表1）主要以纖維或聚合物共混改性ABS為主，如ABS/PC、ABS/PA、ABS/PVC塑料合金等。

改性ABS可以提高塑料在不同維度的性能。如杜娟等[3]研究了長玻纖（LGF）、短碳纖和PP含量對ABS性能的影響。結果表明：ABS/5PP/40LGF復合材料在拉伸、彎曲、沖擊性能分別提高了225%、225.9%和13.2%。丁步鵬等[4]制備了滑石粉和酸性潤滑劑改性PC/ABS合金，發現酸性潤滑劑可以促進滑石粉分數，改善滑石粉對PC的降解程度，提高了PC/ABS綜合力學性能。

聚氨酯類（PU/TPU）材料

現今汽車工業正向輕質高強、綠色環保、舒適與安全方向發展。PU材料因其優異耐磨性能、耐低溫性、耐化學性和加工方式多樣性等優點，廣泛應用于座椅、車內地板、遮陽板及保險杠等部件，被認為是實現汽車材料輕量化的關鍵材料（見圖1）。目前，汽車輕量化用PU材料主要為PU泡沫、TPU塑料合金。

閆紅英[5]通過調整噴涂發泡工藝參數，實現了優異性能的硬質聚氨酯泡沫制備。郭勇生等[6]開發了一種低氣味、高阻燃客車座椅用聚氨酯泡沫產品。宋澤濤等[7]制備了生物基聚氨酯泡沫材料，實現良好降噪效果。

熱塑性聚酯（PBT、PET）材料

PBT材料是高性能聚酯材料，具有優異的尺寸穩定性、耐化學性、低水分吸收等特性，在汽車反射鏡外殼、汽車保險杠、汽車門把手及頂棚等方面應用廣泛（見表2）。純PBT力學性能低、易翹曲變形，采用添加玻璃纖維和無機填料（滑石粉、云母、玻璃微珠等）有助于提高其拉伸強度和改善材料翹曲變形[8]。李陵洲等[9]制備了PBT/PC合金材料，用于汽車電器盒。

PET作為常用工程塑料，因加工條件、結晶速率慢的影響，導致其在汽車應用受到限制。為改善其特性，一般利用纖維增強或聚合物（PBT，PC）改善其性能。日本寶理塑料集團推出了用于汽車后視鏡和雨刷臂/葉片的30%和40%玻纖含量的汽車外飾用玻纖增強PET塑料。許凌峰等[10]利用PET/PC共混方式提高了材料耐溶劑性、噴漆龜裂、開裂等問題。

生物基高分子材料

生物基高分子材料的創新應用有助于推動汽車工業的“綠色制造”進程，減少傳統石油基高分子材料帶來的“白色污染”。目前，在汽車上使用的生物基材料（見圖2）主要包含兩類：植物纖維和生物塑料。

植物纖維主要以麻纖維、木纖維和竹纖維為代表的生物纖維復合材料主要用作汽車內外飾件。何莉萍等 [11]研究了改性麻纖維含量對麻纖維/PP復合材料力學性能、結晶行為、耐熱性能的影響，在纖維含量為15%和20%時，復合材料熱力學性能最佳。福特公司開發了用于汽車發動機防護罩的黃麻纖維增強PP復合材料，實現減重30%。大眾、寶馬、日本三菱等汽車公司也將竹纖維、洋麻、稻殼及麥稈等生物纖維用于其汽車內飾、車門板、座椅靠背等部件，實現汽車零部件輕量化。

生物塑料是從生物原料中提取成為作為原來合成的材料，如聚乳酸（PLA）、生物基PA、生物基PP等。德國勞士領公司與科比恩公司合作開發玻纖或木纖維增強PLA復合材料，用于汽車導流罩、側護板、副保險杠等零部件。綠城生物材料技術有限公司研發一種用于汽車進氣格柵、三角窗框等零部件的高強度高韌性PLA復合材料。羅迪亞公司開發出蓖麻油基PA，用于汽車進氣管、輸油管等部件。凱賽生物通過生物法制備的綠色尼龍用于新能源汽車電池模組。

生物基雖然優勢明顯，但其存在的植物纖維差異化大、可控性差、生物基材料熱穩定性差、加工技術不成熟及成本高等問題，制約了其在汽車的大規模應用。因此，后期需從原材料、加工技術等方面提高其在汽車應用綜合性能。

智能高分子材料

在汽車輕量化、智能化及網聯共享化發展的背景之下，智能材料具有廣闊的應用前景。現在智能材料主要有壓電材料、自修復材料、自變色材料等。

壓電材料主要用于汽車懸架、輪胎、汽車廢棄等方面能量的回收。Maurya等 [12]設計了一種可用于監測輪胎狀態和為輪胎內部裝置供電的壓電裝置。米其林在其輪胎內噴涂一層自修復高分子材料，實現輪胎防刺漏[13]。智能變色材料可以減少噴漆過程、節約電源及降低成本等優勢，是未來汽車智能化發展方向之一。中禾科技開發了EPC等可逆電控變色玻璃，實現對光線的阻擋和透射，成功應用于吉利、福特等汽車。

隨著對智能材料的深入研究，其在汽車領域應用將日益深入，為實現商業化，仍需要解決產品成本、耐溫性、耐久性及精度等問題。

再生高分子材料

隨著高分子材料在汽車應用日益廣泛，廢棄的汽車制品成為一個嚴重的環境問題。如何回收廢棄塑料制品對實現資源再生利用、保護環境、降低車用材料成本等方面具有重要的意義。

許歡等[14]將廢舊車門內板聚丙烯材料改性回收，實現了廢舊材料非降級使用。王偉等[19]制備了擴鏈改性回收尼龍6/碳纖維復合材料，并分析表征了再生材料的結構和性能。斯柯達與Sage Automotive Interiors合作開發一種羊毛與再生聚酯融合的材料，用于汽車座套和座椅加熱器。梅賽德斯-奔馳概念車將回收PET瓶材料用于環保創新內飾。寶馬利用化學回收，將再生高分子材料應用于BMW i循環概念車保險杠。雷諾汽車采用回收設計，將回收材料制應用于儀表盤、中控臺和地毯等零部件。

盡管我國出臺了報廢汽車回收拆解、再生材料利用相關的政策，但回收網絡不完善、回收技術不足、成本優勢不明顯，急需進一步完善政策指導、提高再生技術、建立數據追溯平臺，實現材料—回收—再利用循環體系。

結語

汽車工業的迅猛發展帶動了汽車工程材料的不斷更新換代，智能化、輕量化高分子材料產業開始成為汽車制造業發展升級的核心力量和重要支撐，是未來汽車行業發展的推動力量，但距離在汽車上成熟化應用有許多問題亟待解決，如國內高分子材料研發技術不足、成本過高、無法規模化制備等問題。未來，應加快構建高分子材料體系數據庫，開發新技術和新材料，尤其是低成本、高強度輕量化材料、智能材料和再生材料方面，為實現汽車的輕量化、綠色化、智能化做出更大的貢獻。

參考文獻：

[1] 中國工業汽車協會. 我國2023年汽車產銷雙破3000萬輛新能源滲透率達31.6%. [EB/OL]. （2024-01-17）. https：//auto.cri.cn/20240111/ac5bbc84-4186-cc81-580d-72e1934143d9.html.

[2] 中國能源報.輕量化材料成新能源汽車“減重”突破口[EB/OL]. （2020-11-18）. http：//energy.people.com.cn/n1/2020/1118/c71661-31935009.html.

[3] 杜娟，許陽，李桐，等.纖維增強ABS復合材料的制備和力學性能研究[J].塑料科技，2023，51（3）：29-32.

[4] 丁步鵬，紀效均，沈圣翔.高剛高韌PC/ABS合金的制備及性能[J].工程塑料應用，2023，51（10）：55-61.

[5] 閆紅英.硬質聚氨酯泡沫噴涂發泡工藝研究[J].科技資訊，2023，21（23）：120-123，131.

[6] 郭勇生，崔玉志，徐西騰，等.一種客車座椅用低氣味高阻燃聚氨酯泡沫的開發[J].聚氨酯工業，2024，39（3）：29-32.

[7] 宋澤濤. 降噪用軟質聚氨酯泡沫制備和性能研究[D].北京：北京服裝學院，2023.

[8] 卜和安，劉世軍，吳文洋，等.PBT工程塑料改性的研究現狀及應用進展[J].塑料科技，2023，51（2）：109-113.

[9] 李陵洲，劉詩，朱永軍，等.汽車電器盒用耐候PBT/PC合金的開發及應用[J].塑料工業，2021，49（9）：44-48.

[10] 許凌峰，邵景昌，付俊祺，等.PC/PET合金的制備及其耐溶劑機理[J].工程塑料應用，2020，48（5）：114-117，128.

[11] 何莉萍，劉龍鎮，蘇勝培，等.纖維含量對黃麻纖維增強樹脂基復合材料力學與熱性能的影響[J].復合材料學報，2023，40（4）：2038-2048.

[12] Maurya D， Kumar P， Khaleghian S， et al. Energy harvesting and strain sensing in smart tire for next generation autonomous vehicles[J]. Applied Energy，2018（232）： 312-322.

[13] 池瑜莉，王童，陳軼嵩，等.車用自修復材料現狀及未來發展趨勢[J].汽車文摘，2021（10）：20-25.

[14] 許歡， 孟正華， 郭巍，等. 廢舊汽車門內飾板聚丙烯塑料同等性能再利用 [J]. 工程塑料應用， 2017， 45（9）：1-6.