美国车用塑料和复合材料技术路线图(一)
多年来,先进塑料和高分子复合材料在汽车上的应用,为汽车外观、功能和安全性能带来了很大的变化,同时,还降低了车身质量。新的法律法规、消费者偏好发生变化和技术创新正刺激汽车生产商继续增加使用先进塑料和高分子复合材料以应对未来的挑战和机遇。美国化工理事会(ACC)塑料分会在2001年颁布了车用塑料市场前景和技术路线图。在技术路线图中,描绘了车用塑料和高分子复合材料业务和技术战略。然而,数年后,汽车市场和相关法律法规发生了重大改变。2009年,ACC为应对行业发展新趋势,开始对该技术路线进行升级,以制定可以适应2030年甚至更长远需要的车用塑料技术战略,并于2014年3月正式出版该技术路线图。尽管该技术路线图主要聚焦北美汽车市场,但是对全球的汽车发展的重要方向都具有一定的指导意义。因此,本刊特摘取其中主要内容,以飨读者……
平均燃油经济标准提高倒逼材料工业前进
目前,影响美国汽车工业发展的最大因素或许就是由美国高速公路交通安全管理局和美国环保署制定的公司平均燃料经济(CAFE)标准。新标准制定了新的燃油排放标准,并要求到2025年汽车燃油效率要到达50英里/加仑。燃油效率标准的快速提高,再加上消费者对更好性能和外观款式的新追求,使得汽车生产商穷尽所有办法降低车身质量,同时保障质量和安全。所有材料工业——塑料和高分子材料、钢铁、铝和镁——都积极行动,以满足汽车工业的新要求。
高性能复合材料在汽车领域的应用前景被业界广为看好。除了潜在的创新动力学设计和式样美感,高分子复合材料还具有高强度-质量比和高刚性-质量比,这使得高分子复合材料多年来一直是制备摩托车和航空航天部件的理想材料。许多高分子复合材料具有无与伦比的能量吸收能力, 可以用来制备高强度轻质量的部件。尤其是碳纤维增强复合材料特别适合用来制备车辆的结构部件,比普通钢材轻50%,比铝轻30%。高分子复合材料正受到越来越多的汽车生产商的青睐。例如,宝马汽车公司在其新推出的电动汽车上采用碳纤维增强复合材料制备车身框架。
尽管优势明显,但是高分子复合材料并非完美无缺,要想在汽车领域有更大的作为,还需解决不少问题。例如,碳纤维增强复合材料的成本居高不下,阻碍了其更广范围的应用;一些塑料和高分子复合材料汽车部件的回收利用还存在技术障碍。在过去100年的发展历程中,汽车工业的基础设施和从业人员都已经适应了金属,这也构成了塑料和高分子复合材料进入汽车领域的壁垒。在塑料和高分子复合材料工业领域,大量的材料复合和加工专用技术虽然可以将高分子材料加工成满足特种需求的产品,但有时也会成为高分子材料进入汽车领域的障碍。综合起来看,车用塑料和高分子复合材料市场既面临机遇,也需应对挑战。
塑料和复合材料当前在汽车中的应用情况
(1)为车身减重提供无与伦比的解决方案
为了满足到2025年逐步提高的效率和排放标准,寻找降低车身重量的新途径成为关键。Ducker Worldwide 预计平均每辆汽车需要减重400磅,约占车身总重量的10%,才能满足美国环境保护署制定的排放标准。汽车工业使用铝和先进高强度钢(AHSS)代替传统钢材,以达到减少车身重量的目的。但铝和AHSS都有一定的局限性:铝的比重是传统钢材的三分之一,而AHSS在提供减重效果的同时增加了生产成本。
而塑料和高分子复合材料在为汽车生产商提供减重效果方面成效显著。除了具有优异的减重性能外,塑料和高分子复合材料还有很好的美感、空气动力学设计性能,在内饰和外饰方面具有很高的应用价值。塑料和高分子复合材料,尤其是碳纤维增强高分子复合材料,可以大幅降低车身重量,而且保持和提高安全性能和使用性能,因此在制备车身结构部件和车身底盘方面具有很强的竞争力。碳纤维增强复合材料比传统的钢轻50%,比铝轻30%,这就吸引了越来越多的汽车以及零部件生产商的关注。
例如,宝马利用碳纤维增强高分子复合材料制备i3电动车的车身。杜邦公司使用计算机模拟证明,使用高分子复合材料制备的传动轴比铝传动轴重量轻一半,生产成本也下降了50%。随着技术的不断进步,塑料和高分子复合材料在降低汽车车身重量方面必将发挥出越来越优异的效应,从而满足汽车轻量化的要求。
(2)高吸能性提高汽车的强度和安全性能
汽车制造商在努力使汽车变得更轻的同时,还将面临的挑战是维持和提高强度和安全标准。NHTSA和美国公路安全保险协会(IIHS)目前正在推行更为严格的碰撞测试评级系统来提高行人和乘客安全。这就要求汽车生产商采用新的防撞技术和更好的耐撞性材料。塑料和高分子复合材料不仅可以为降低车身重量做出贡献,而且还有优异的吸能性能,这就意味着一旦遇到碰撞和其他交通事故可以提供更好的安全性能。
在摩托和航空航天领域,高分子复合材料凭借其高比强度和高比刚度而得以应用多年。高分子复合材料单位质量的能量吸收能力无与伦比,这就使得高分子复合材料在减震方面可以大展身手。使用强度高而吸能性佳的高分子复合材料的汽车在发生碰撞时,可以通过增强车厢从而为车内人员提供更好的保护。除了制备车身之外,注射成型的吸能材料如聚碳酸酯-PBT共混以及低密度的泡沫材料已经在欧洲被用来制备汽车保险杠。
(3)助力新能源、替代燃料汽车传动系统
随着新CAFE标准的实施,新能源、替代燃料汽车,如电动汽车、混合动力汽车、插电式混合动力车、压缩天然气汽车、液化石油气汽车和灵活燃料汽车,在汽车工业的比例将越来越大。一些专家估计,到2025年,新乘用车辆将有超过1/3(36%)采用新能源汽车和替代燃料汽车。
塑料和高分子复合材料不仅可以减少传动系统的重量,还可以在很多替代燃料环境下使用,而一般金属材料却不能。正是由于这一优势以及其他材料特性,2010年有超过200吨的塑料和高分子复合材料用在电动汽车的传动系统、电池外壳、热管理系统以及电线电缆中。这一趋势在未来将继续增强,预计到2017年,这一数字将增至2.6万吨。通过为车辆提供轻量化传统系统,并且耐替代燃料腐蚀,塑料和高分子复合材料将继续助力汽车新技术的市场推广。
(4)通过零部件一体化创造价值
长久以来,车辆是由大量零部件组装而成。即首先生产大量的零部件,然后将零部件组合成系统,最后通过电焊、粘合剂和紧固件等连接技术将这些系统组装成整车。这样,会给车辆生产增加成本,同时增加车身重量,此外还产生一个问题,即连接点会成为薄弱之处。
然而通过零部件一体化,塑料和高分子复合材料可以制备成一个综合性部件,而不是将多个零部件组装在一起。这样,不仅可以加快生产工艺,而且可以减少昂贵的焊接和装配工装。例如,2013福特Escape型车上的二次注射成型车窗升降机载体取代了原先的金属载体。金属载体由21个金属部件通过16道工艺组装而成,而塑料载体则由10个零部件通过10道组装工艺而成。采用塑料载体不仅使得设计更具灵活性,降低生产成本、减轻车身重量,还减少了生产工艺环节。
(5)廉价天然气供应将增加塑料和复合材料供应
汽车工业认为广泛使用高性能塑料和高分子复合材料的最大障碍是价格昂贵。高分子复合材料工业充分认识到这一问题,并致力于降低车用高分子复合材料的生产成本。这对于车辆轻量化的未来发展至关重要。
近年来,美国页岩气生产获得了长足发展,这对于急于降低生产成本的高分子复合材料工业来说无异于雪中送炭。目前,天然气已用于生产高分子复合材料。2010年,大约有4120亿立方英尺的天然气用于生产塑料和高分子复合材料,占美国天然气总消费量的1.7%。但是,其中仅130亿立方英尺的天然气是作为原料使用的,其余3990亿立方英尺的天然气则是作为燃料。雪佛龙菲利普化学公司认为页岩气的成功开发刺激了高分子复合材料工业投资300亿美元建设新的石化生产装置,以将天然气转变为塑料。这将导致到2015年,美国塑料和橡胶工业的产出将比2010年增长17.9%。(车用塑料和复合材料面临的障碍以及突破途径敬请关注下期报道)(宋玉春 编译)