进军汽车大市场，聚合物基复合材料须过三道坎
□ 中国化工信息中心 王俊环
据中国汽车工业协会统计分析，2015年9月全国汽车生产189.43万辆，环比增长20.63%，同比下降5.64%，降幅比8月减缓2.80个百分点；销售202.48万辆，环比增长21.60%，同比增长2.08%,结束下降趋势。1～9月，全国汽车产销分别为1709.16万辆和1705.65万辆，产量同比下降0.82%，销量增长0.31%。从前9个月汽车产销分析，我国汽车行业跨入增长拐点，与我国经济进入新常态的走势一致。在人均国民收入、道路、限行等多种因素的制约下，我国汽车行业步入缓慢增长的阶段，“十三五”时期甚至可能出现增长停滞的局面。但是，汽车市场仍然是材料行业最重要的市场之一，这是一个年消费量4000万吨级别的大市场；对于聚合物来说，汽车行业的年消耗量也接近400万吨，年市值超千亿元。
最近几年，聚合物基复合材料在汽车中应用渐广，特别是在欧美等发达国家，BMC、SMC、GMT、LFT等复合材料在汽车领域已经得到了大规模应用，年需求量达到百万吨级。但我国复合材料汽车零部件的发展速度却没有达到理想状态，除了材料的机械性能、加工性能、成本等直接因素外，使用习惯以及消费者审美等因素也影响着复合材料的大批量应用。
一、研发应用初具规模
１．BMC(DMC)/SMC：美国市场领衔
BMC(DMC)材料即团状模塑料，国内常称作不饱和聚酯团状模塑料，主要是由短切玻璃纤维、不饱和树脂、填料以及各种添加剂经充分混合而成的料团状预浸料。BMC材料具有优良的电气性能、机械性能、耐热性和耐化学腐蚀性，可适应各种成型工艺，即可满足各种产品对性能的要求，因此应用越来越广泛。目前BMC在汽车电器和车灯上的应用较多，如用来制造汽车电器零件、车灯外罩和框架等，还适合制造前端制动器面板和加热器壳体等中型零件。BMC 用做车灯反射罩时，可以通过提高团料在模具中的流动性来改善车灯表面质量、降低车灯雾影。用于车灯的BMC材料采用PMMA树脂和马来酸树脂以及4 mm左右的玻璃纤维增强，材料的耐热性和耐磨性良好。目前采用BMC材料的零部件有奔驰E 系列车灯反射罩，BMW 5 系列车灯反射罩，Volvo XC70、XC90、V70 后尾门及车灯反射罩，奥迪A6车灯反射罩，帕萨特系列车灯反射罩，桑塔纳3000系列、捷达、奇瑞车灯反射罩等。
SMC（片状模塑料）是以不饱和聚酯树脂为黏结剂制成的一种模塑料。在不饱和聚酯树脂中加入增稠剂、无机填料、引发剂、添加剂和颜料等组分配制成树脂混合物，浸渍短切纤维或毡片，上下两面覆盖PE薄膜，经增稠后制得薄片状模塑料。SMC汽车零部件主要分为三类：第一类，结构件，如散热器托架、横梁；第二类，功能件，如油盘、隔热板等，要求使用耐高温、耐油材料；第三类，车壳外板，目前具有A级表面精度的SMC车壳还没有获得大面积应用，只有美国部分车型采用了SMC车壳外板。美国是SMC零部件应用最多的国家，20世纪70年代美国从欧洲引进SMC技术后，一直致力于SMC零部件的开发和应用。通过价格补贴，美国快速推广了SMC材料，1985年美国有65％的轿车采用了SMC前脸。日本、欧洲等国家和地区在SMC方面则采取了小步慢走的策略，丰田、日产、铃木、本田、三菱等各大汽车公司相继开发了SMC汽车部件。
目前我国BMC/SMC在汽车零部件领域的应用发展并不很快。据不完全统计，2010年我国用于汽车的SMC消费量约4.5万吨左右，到2014年，消费量约5万～6万吨，低于同期我国汽车产业的发展速度。我国已知使用SMC的汽车主要有以下几个品牌：
长春一汽 奥迪A6、红旗轿车的后保险杠背衬采用高强SMC模压成型；奥威重卡前后保险杠、解放系列保险杠采用SMC模压成型；奥威重卡驾驶室顶盖采用SMC制作；解放142改型车发动机箱体油盖、机油滤清器外罩和车箱底板采用SMC成型。
东风汽车 东风多利卡轻卡保险杠、东风小霸王前保险杠等采用高强SMC模压成型；东风公司6T和8T平头柴油车系列中前围板、轮罩、水箱面罩、护风罩、进气管、导流罩等采用SMC材料。
北京吉普 北京吉普车窗、立柱等附件采用SMC模压工艺成型；北京吉普切诺基后举升门总成和前散热器罩（GOP）均采用SMC模压，大切诺基前散热器罩采用SMC模压成型；北京吉普212车采用SMC电瓶托盘。
2．GMT：各种车型中成功应用
GMT是玻璃纤维毡增强的热塑性聚合物复合材料的简称，是一种以热塑性树脂为基体，以长玻璃纤维毡或连续玻璃纤维毡为增强物的复合材料。基体树脂有PP、PET、PBT、PC、PA 等，其中PP价格低廉，以PP为基体的GMT 材料产品应用最广。目前已经实现工业化的GMT-PP 制备工艺主要有两种，其中熔融浸渍法生产效率高，因生产过程污染物排放少而获得了较快的发展。熔融浸渍法是将两层玻璃纤维毡与三层聚丙烯铺放，中间层聚丙烯采用挤出机挤出，外面两层聚丙烯可以是熔体也可以是聚丙烯薄膜，叠层铺放的夹层结构在高于聚丙烯熔点的温度下热压，冷却定型、经裁割便得到GMT-PP 半成品片材。GMT具有质量比大、在高低温环境中的抗冲击性能优良等特点，其主要用途是代替金属材料制造汽车承重框架，如前端模块框架、座椅骨架和保险杠框架等；还可以代替热固性材料生产承重功能件，如备胎仓、脚踏板和底护板等。相对于LFT，GMT具有更高的强度，并且可以采用高纤维含量的补强材料来增强局部强度。GMT一般用于形状相对比较简单、适合模压成型的零件，如轿车的风扇护罩和底护板等，或代替SMC 模压制品。
目前国外有很多车型采用GMT材料制作前端模块、车底板、车门模块、汽车保险杠、蓄电池托架、备胎仓、仪表板骨架、座椅骨架、脚踏板等。例如宝马5系的车底防护板、大众途安的蓄电池托架、三菱电动车的电池组托架、奔驰汽车的前端模块、大众宝来和高尔夫的保险杠支架、雪铁龙的防撞梁、尼桑英菲尼迪的掀背门模块、沃尔沃的后桥支架等。国内采用GMT制造的零部件有：一汽大众的宝来系列前端支架、迈腾系列备胎仓、奥迪A6的前端支架和前端底板衬里、发动机罩板，上海大众帕萨特系列的蓄电池托架、发动机罩板、前端底板衬里、北京现代和奇瑞的前保缓冲器支架等。
3．LFT：汽车轻量化的首选
LFT是指由连续的玻璃纤维，经过特殊工艺被树脂充分浸润后、再切成特定尺寸的玻纤增强胶粒或由树脂浸润包覆的长玻璃纤维条直接模压或注塑成型后的材料。LFT 材料中玻纤的长度一般在3 mm 以上，其应用开发目标是用作半结构和结构材料。以聚丙烯为基体的LFT复合材料具有轻质高强的优点，易于制造和实现成本优化，作为新兴的高性能工程塑料的应用范围越来越广，目前已成为汽车轻量化使用的首选聚合物基复合材料。
LFT可注射及模压成型，因此适用于成型形状复杂、多孔多筋的制品。同时LFT 可代替尼龙和聚酯等价格高、易吸湿的材料，无需材料预干燥，不担心水解问题，还能降重、降成本。目前，后视镜、变速手柄、分电器盒、叶轮、进气歧管等传统采用尼龙材料的制品都开始采用LFT材料。另外，很多前端模块由GMT改为LFT，可以实现更加复杂的结构，并提高生产效率，尤其LFT-D的大量使用更进一步降低了成本。目前我国采用LFT材料生产的汽车零部件有：海南马自达6的前端模块和车门模块载体；途安系列的前端支架；标致206、307系列的前端支架、翼子板等。2012年7月福建海源自动化机械股份有限公司研发的全自动长纤维增强热塑性复合材料模压生产线投放市场，加上原有的上海耀华大中、上海GSI、长春英利的生产线，国内已有15条LFT-D生产线。据不完全统计，2013年我国应用在汽车领域的LFT消费量达到了2万吨。
4．其他
碳纤维增强复合材料是最近几年热炒的品种之一，一些厂家也开始试用碳纤维增强材料。例如，宝马M6 轿车采用碳纤维制造车顶盖及尾箱盖；宝马M3采用碳纤维传动轴；福特公司采用碳纤维制造车门斜铰链系统，保证了在车门打开时不需要附加支撑；碳纤维汽车座椅加热装置的应用也越来越广泛。但是目前碳纤维存在价格偏高、表面处理困难和难以回收等问题，另外碳纤维增强功能件也存在与金属件连接困难等问题。从碳纤维生产角度来看，未来几年其成本降低的可能性仍然较小，碳纤维复合材料在汽车领域仍然仅限于特定的领域。
由于玻璃纤维对人体有害，且熔融后容易粘结造成回收利用困难，因此近年天然纤维增强塑料研究较多，例如黄麻、剑麻、大麻、亚麻、荨麻等，部分材料的性能已经与玻璃纤维增强复合材料不相上下。在线生产的天然纤维产品的工艺类似于LFT，由于可以直接挤出注塑或模压成型，塑料只经过一次加热，因此可以减少热敏感材料的热降解。福特、宝马、奥迪、雷诺、沃尔沃等企业已经开始采用这一类原料。
二、发展面临三大瓶颈
从过去几年的复合材料汽车零部件的发展历程上来看，我国复合材料在汽车领域的应用发展速度差强人意，低于同期的汽车产销量增速。究其原因，高成本、难回收以及设计能力弱是发展的主要障碍。
1．成本偏高
复合材料零部件的高成本不仅仅是指原材料的价格，生产工艺的复杂性也使其制造成本偏高。我国汽车市场是一个比拼价格的新兴市场，高端车型在国内的产量较低。目前国产车的低价与合资车的减配都是在降低零部件成本方面下功夫，因此高成本复合材料零部件的应用受到了明显的限制。
2．回收困难
与高成本相比，复合材料回收难问题最近几年才引起人们的重视。2015年6月，工信部颁布了《汽车产品限制使用有害物质和可回收利用率管理办法》，对汽车产品的可回收利用提出了指导性意见。在材料回收利用方面，欧、美、日等国走在前列，欧美等发达国家规定到2015年汽车报废的零部件要有95%以上可回收再利用。这对复合材料在汽车上的应用是一个很大的挑战。复合材料的回收再利用较金属及热塑性塑料难度大，粉碎、焚烧和掩埋等方法已经不适应现在环保的要求。目前较科学的办法有高温裂解、溶剂萃取等，使纤维和树脂分离后回收再利用，但这些措施又进一步增加了成本。
3．设计能力弱
设计能力弱也是我国复合材料推广使用困难的原因之一。汽车零部件的结构一般都比较复杂，复合材料零部件是材料、设计和加工工艺紧密结合的产物。国内零部件企业在设计与加工工艺方面常常脱节，包括计算机在设计方面的应用还处于初级阶段，积累的数据不足，也是复合材料应用进展缓慢的原因之一。
另外，从消费习惯的角度来看，复合材料制品的外观不符合中国传统的审美观念。消费电子、笔记本电脑等复合材料外壳的产品给人的感觉都是低端的印象，甚至碳纤维复合材料也是如此。在中国汽车是承载了更多内涵的产品而非单纯的代步工具，因此，企业使用塑料及复合材料都会慎之又慎。
作为全球最大的市场，任何材料供应商都无法忽略中国汽车市场所带来的诱惑，复合材料也不例外。特别是在欧洲、美国、日本已经成功应用的产品，没有理由不会在中国获得成功。绿色节能、低碳出行得到人们的普遍共识，汽车轻量化是不可逆转的趋势，复合材料已经引起汽车制造业很大的关注。相信随着技术进步，高成本、难加工、难回收等问题将会得到解决，未来复合材料在中国汽车行业中将会占据更高的市场份额。