汽车工程塑料新进展.ppt

1,汽车工程材料新进展,重庆交通大学机电与汽车工程学院张继祥2009-3-20,2,目录,前言塑料在汽车中的应用现状汽车工程塑料研究进展结束语,3,1、前言,随着人们对汽车轻质化、抗冲击、低油耗、安全等要求的不断提高，质轻、耐腐蚀、减振、成型加工方便的塑料正越来越多地应用于汽车工业。根据美国塑料协会统计，1999年北美汽车平均每辆车用塑料为117KG，到2009年可望达到142 KG。,4,欧洲全塑料汽车,5,1、前言,目前我国经济型轿车每车塑料用量达5060 kg，中高级轿车达6080 kg，有的甚至可达100 kg；轻、中型载货车塑料用量达50 kg左右，达国外20世纪80年代初中期水平。,6,2、塑料在汽车中的应用现状,据统计，常用汽车塑料有PP、PUR、PC、ABS、PA和PE等，主要应用于：内饰件外饰件发动机部件结构件,7,2、塑料在汽车中的应用现状,1）汽车内饰件塑料应用现状,8,2、塑料在汽车中的应用现状,2）汽车外饰件塑料应用现状,9,3）汽车发动机系统塑料应用现状,10,2、塑料在汽车中的应用现状,4）结构件塑料应用现状,11,3、汽车工程塑料研究进展,近年来，塑料工业原料结构没有更多的变化，但在质量方面有较大的提高，主要发展方向：塑料合金Alloy塑料共混物Blend填充增强复合塑料（改性）,12,1）聚丙烯 PP基新型塑料,PP汽车零部件主要品种有：保险杠、仪表板、门内饰板、空调器零部件、蓄电池外壳、冷却风扇、方向盘等。汽车用PP一般都是改性品级，改性途径主要是通过加入增韧剂和填充剂来提高PP的性能。通过调整PP基体、增韧剂、填充剂三者的配比可制造出一系列不同性能的材料，满足汽车不同部件的功能要求。,13,用于保险杠国外：在反应釜中共聚，同时进行PP与乙丙橡胶等的共混。用这种方法生产的PP专用料性能优异。国内：生产方法是采用双螺杆挤出机等将PP、聚乙烯(PE)、橡胶、无机填料等机械共混造粒。,14,为了满足汽车行业对轻质、高性能长玻纤(LGF)复合材料日益增长的需求，沙伯基础创新塑料推出 SABIC STAMAX长玻纤聚丙烯树脂（LGF PP）。SABIC PP 7690号复合物是SABIC系列产品中专为铃木而开发，用于新款铃木雨燕保险杠的生产。,用于保险杠,15,德国巴斯夫公司开发的气相PP技术，直接生产乙丙橡胶为50的PP共聚物。该材料抗冲击性能优良，熔体流动性好，适于薄壁长流道注射成型；可用于制作汽车保险杠外罩、阻流板和汽车防护器等。,用于保险杠,16,陶氏（Dow）化学公司采用u-nipohm聚合工艺技术及特种催化剂制备的抗冲共聚PP，其橡胶含量达到40，具有良好的刚性与韧性，耐低温冲击性能优异，在汽车领域得到广泛应用。最近：国外还出现了采用 晶型成核剂增韧改性PP的新方法，大大提高PP的耐冲击性能。,用于保险杠,17,用于仪表盘,目前使用的仪表板有硬质仪表板和软质仪表板两种。硬质仪表板是整体一次注射成型，所用材料为增韧增强PP；软质仪表板由表皮、骨架、缓冲材料构成。一般采用金属或改性PP或ABS等注塑件作骨架，聚氨酯(PUR)泡沫作缓冲材料，聚氯乙烯(PVC)作软质表皮。,18,用于仪表盘,SABIC PP 6604/5号复合物也用于新款铃木雨燕的仪表盘、控制盘和杂物箱，具有高防刮性、强刚性、抗冲击性及高流动性性能。国内：以聚丙烯(PP)为基础树脂，聚烯烃热塑性弹性体(POE)为增韧剂，来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)为相容剂，滑石粉为填料制得性能符合汽车仪表盘要求的专用料。,19,用于保险杠和仪表盘,丰田汽车公司已开发出汽车仪表板和保险杠用新一代的聚丙烯(PP)配混料。这种高橡胶含量高结晶聚丙烯(HEHCPP)新材料，具有更高的分子立体规整性，不需加大量橡胶便能制备柔性、高取向结晶PP树脂，因而降低加工和材料总成本。其性能与TPO相当，但成本低30。,20,用于发动机冷却风扇,主要用玻纤(GF)增强PP。该类PP的刚性强，韧性和耐热性高，成型加工性好。其改性方法主要采用GF和弹性体协同增强增韧。由于长GF增强PP的刚性、强度和耐热性均优于短GF增强PP，国外一些大型企业推出了长GF增强PP，国内则缺少相应的产品。,21,其它应用,用改性PP制作耐化学介质的容器，如蓄电池外壳、盛装各类溶剂的容器等。车身顶盖内饰板材一般采用泡孔结构材料，如交联PE泡沫、PUR泡沫、瓦楞纸板等。现在开始使用高熔体强度PP生产的PP发泡板材和蜂窝PP板材；在复合成型软内饰护板中，木粉填充PP、天然纤维或废合成纤维增强PP、天然纤维毡增强PP等环保材料制造的内饰护板基板正逐步得到应用。,22,2）尼龙(PA)基新型塑料,汽车上使用的PA多为增强增韧PA，其增强方法主要是填充无机填料，如GF和碳纤维(CF)；对PA增韧的方法是在PA基体中加入橡胶弹性体。目前研究较多的是利用各种改性方法制备PA合金。,23,用于电气部件,制造汽车电气部件的塑料不仅要具有高的力学性能，耐热性及动、静载荷承受能力，同时还要具备电性能的安全性和阻燃性。PA主要用于制造汽车电气配线、接线柱、中央电器板、风扇和车灯外壳等。,24,用于发动机,进气歧管、空气净化器罩、气门罩、摇杆、机油盘和散热器等部件。罗孚汽车公司与BMW、BASF公司等联合开发的2L-4缸涡轮柴油发动机。进气歧管组件由35 GF增强的PA制造，这种材料能承受很高的发动机温度。空气净化器罩所用材料是BASF UhramidB3GM24(10GF和20矿物纤维增强PA66)。气门罩由BASF Uhramid A3WGM53(25GF和5矿物纤维增强PA66)制成。,25,Ford公司采用杜邦牌号为Zytel的33GF增强PA66生产进气歧管。该进气歧管较铝质进气歧管轻30。戴姆勒-克莱斯勒(DAIMLER-CHRYSLER)公司的采用西门子公司制造的PA进气歧管，材料为BASF Plastics公司的Ultramid PA(35GF增强PA66)，使进气歧管减重2.7 kg。,用于发动机,26,PA11具有吸水率低、耐油性好、耐低温、易加工、质量轻、耐腐蚀、不易疲劳开裂、密封性好、阻力小等特点，是用来制作汽车输油管、刹车管的新型尼龙材料。GF增强的PA12可用于制造发动机罩和散热器等部件。,用于发动机,27,用于车身部件,PA具有较好的耐冲击性和强度，主要用来制造汽车车体的驱动、控制部件。大众“Golf”“Jetta”轿车采用杜邦公司的“Zytel 180G33”PA6；雪佛兰“Corvette”型轿车的翼子板采用杜邦公司的“BexloyC702”增强非晶性PA。,28,美国塑料公司（现沙伯基础创新塑料）开发出尼龙和（聚苯醚）合金导电牌号Noryl GTX 973/976/979;涂覆性能良好，质轻和高抗冲击性，应用于汽车体部件、室外交通车、园林设施、家用电器、办公室设备和轻质夹层。,用于车身部件,29,30,Teknor Apex旗下公司Chem Polymer宣布推出一种抗冲击能力高强的尼龙66材料（Chemlon 109），这种材料的流动性能优于同类材料，而且弯曲强度和低温韧性能够满足许多汽车部件以及防碰撞填充物的要求。Chemlon 109具有出色的流动性能，适用于生产紧固件等精密或多腔部件，凭借出色的弯曲强度，能够承受装配和最终使用造成的应力。Chemlon 109具有卓越的韧性，用于仪表盘甚至整个发动机等汽车部件低温储存和运输使用的防碰撞填充物或垫板。,用于车身部件,31,用于安全气囊,安全气囊外壳使用模塑级PA制造，骨架材料用PA66、PA46制造。大众汽车公司Lupo型汽车的安全气囊外壳采用杜邦公司33GF增强PA(Zytel EFE 8089)制造，断裂伸长率高，抗蠕变性优异。,32,3）聚氨酯 PUR,欧洲汽车内饰件多以PUR为主，约占内饰件的70，其主要特点是耐磨性好、耐低温性优良，耐化学药品性好等。PUR泡沫可制成舒适的座椅，隔热、减振地毯；半硬质PUR泡沫可制成安全的仪表板；硬质PUR泡沫广泛应用于冷藏车箱板的隔热保温层；热塑性PUR可制成“三明治”板作车顶篷；自结皮PUR可制成手感良好的汽车方向盘；PUR弹性体能制成汽车挡泥板、轴套、止回缓冲弹簧、输油管、油封。,33,Audi公司采用拜耳公司的PUR弹性体和PUR泡沫，改善了舒适性和安全性。GM公司2002年的Cadillac Seville（凯迪拉克赛威）车采用陶氏化学（DOW Automotive）公司的Beraform PUR泡沫填充车身上的凹穴，提高了汽车车身的刚性，降低了噪音，减少了振动。美国固特异轮胎橡胶公司和艾美莱轮胎公司合作，联合研发了PUR汽车轮胎。,3）聚氨酯 PUR,34,4）ABS基新型塑料,汽车上使用ABS与其它树脂的共混改性品种，如ABSPC、ABSPVC。仪表板使用ABS和ABSPC，采用注塑丁艺制备而成。欧洲汽车的仪表板以ABSPC及增强PP为主。红旗轿车和奥迪轿车车门内板的骨架都是由ABS注塑成，再衬以PUR泡沫和针织涤纶表皮，以真空成型的方法复合在骨架上形成一体。,35,门把手一般以ABS、ABSPC合金等采用注塑方法制成。ABSPC可电镀，增加厂轿车的饰点，可做成门槛饰条并带有皮纹。散热器格栅一般用ABS或ABSPC合金注塑而成。桑塔纳轿车的格栅是用ABS制成的，小红旗轿车的格栅是用ABSPC合会注射成 后，再喷漆涂敷。散热器格栅也有采用耐候性较好的ASA材料，注射成型后，表面用涂装。,4）ABS基新型塑料,36,朗胜（Lanxess）公司的新型抗冲击耐热ABS品级Lustran Ultra4105可用于汽车内饰件，其耐热达103，比一般ABS高得多，室温下冲击强度为42 kJ/m，适用于内门把手、气孔、防水器条带。,4）ABS基新型塑料,37,5)聚苯醚 PPO及其合金,PPO耐热性高、电性能好、具有阻燃性、吸水小、收缩率低等优点，汽车用PPO多为改性品级或合金，如PPO聚苯乙烯(PS)、PPOPA、PPOPBT等。雪佛兰Venture公司的Mercedes-Benz概念车上采用了GE（现沙伯基础创新塑料）Noryl GTX 树脂制备成后举门上的扰流板和下面板，重量分别为1.0kg和2.1kg。,38,PPOPS合金适用于潮湿、承载负荷、对电绝缘及尺寸稳定性要求高的场合，适用于制造汽车轮罩、前灯玻璃嵌槽、尾灯壳等零部件，也适合于制造连接盒、保险丝盒、断路开关外壳等汽车电气零件。PPOPS合金已用于奥拓轿车的仪表前盖。,5)聚苯醚 PPO及其合金,39,PPOPA合金具有优异的力学性能、尺寸稳定性、耐油性、电绝缘性和耐冲击性，可用于制作汽车外构件，如大型挡板、缓冲、后阻流板等PPOPA 已用于NISSNAB-l、HONDACR-X等车型的挡泥板和门外围板等。,5)聚苯醚 PPO及其合金,40,PPOPBT合金的热变形温度高，对水分敏感度小，是制造汽车外板的理想材料。近几年，PPOPBT合金已用于RENAULT 25、HONDASATURN等车型的挡泥板、门外围板等。丰田汽午公和美国Ford汽车公司使用PPO制造仪表板奥拓A8的仪表面板也使用PPO合金制造由于PPO具有成本低、减振和易于再生利用等特点，使PPO成为未来汽车仪表板的首选材料。,5)聚苯醚 PPO及其合金,41,6）聚碳酸酯(PC)及其合金,PC主耍用于汽车照明灯和车窗等。目前，国内外出现了PCABS、PCPBT等合金；中石化北京化工研究院生产的PCABS合金FKAC8476、FKAC1459、FKAC168W 等牌号已大批量用于富康车左右侧门护板和窗装饰件等。,42,戴姆勒-克莱斯勒公司的Smart微型轿车采用GE Plastic公司（现沙伯基础创新塑料）的Xenoy PCPBT合金制造车体面板，其中的PC保证面板的耐冲击性和韧性，PBT可提高面板的耐腐蚀性、耐紫外线性能和高温(140)条件下的尺寸稳定性，制成的面板外观光滑，颜色耐久，比金属面板减轻50，降低燃油消耗。,6）聚碳酸酯(PC)及其合金,43,Nissan公司Xtera车的顶盖活动式行李架由GE Plastic公司（现沙伯基础创新塑料）提供，材料为PC(内烯腈苯乙烯丙烯酸酯)共聚物(ASA)合金。这种行李架的铝侧杆和横梁固定在6个顶盖支撑 上，能承受 18kg的货物，比原PA行李架减轻61。,6）聚碳酸酯(PC)及其合金,44,沙伯基础创新塑料推出附加车窗应用中使用与有机硅硬膜相结合的透明、注塑成型的Lexan GLX树脂。Lexan GLX树脂具有很高的抗冲击强度和刚度，而且十分轻巧，还涂敷了一层基于有机硅的硬膜，从而具备了抗磨损以及抗紫外线和化学降解能力。最近沙伯基础创新塑料推出了一项革新仪表板(IP)计划。特点是提供多种新型的高性能PCABS和PC的产品（Xtreme CYCOLOY PCABS树脂，和LEXAN EXL 1414H树脂）以及更大范围的全球性技术资源和支持。,6）聚碳酸酯(PC)及其合金,45,7）PE多层燃油箱,PE在汽车上主要用作燃油箱，美国克莱斯勒公司首次在1993型轻便高速轿车上使用了高密度聚乙烯(HDPE)燃油箱。BASF公司以Lupolen HDPE为原料生产了多层共挤吹塑燃油箱，与原HDPE燃油箱相比，力学性能上有较大提高。,46,8）聚苯硫醚(PPS）,PPS比强度高、综合性能优异，被视为汽车轻量化的理想材料。改性PPS取代原来的铸铁及铝压铸件等，用于动力制动装置和动力导向系统的旋转式叶片、温度传感器、气化器、进气管、汽油泵等领域。还可用于制作汽车发动机和交流电机部件，燃料泵及点火装置部件，汽化器部件，各种传感器部件、配电盘、排气循环阀及阀门以及灯光反向器和车灯夹具等。,47,成都乐天塑料有限公司开发出牌号为SG PPS系列产品。SG PPS一2C104A系列是晶须增强材料，可用于制造保险杠、护板、挡板、柄、前后箱盖、排气管、水箱等。SG PPS一2W304A系列是PPS聚醚醚酮(PEEK)聚四氟乙烯(PTFE)合金，可用于制造汽车变速齿轮、轴承、轴套、电刷等部件。SG PPS2E204B系列系纳米Al2O3 增强材料，能满足高级电器部件壳体精度要求.,8）聚苯硫醚(PPS）,48,9)PBT改性合金,汽车上使用的PBT一般都采用GF增强或无机填料改性，或与其它高分子材料共混改性。PBT被广泛用于生产保险杠、化油器组件、挡泥板、扰流板、火花塞子板、供油系统零件、仪表板、汽车点火器、加速器及离合器踏板等部件。GE公司(沙伯基础创新塑料)生产的PBT/PC合金(商品名为Xenoyl731)耐热性好，耐应力开裂，具有优良的耐磨、耐化学腐蚀性，低温冲击强度高，易加工和涂饰性好，主要应用于高档轿车的保险杠、车底板、面板等。,49,10）PET合金,美国Du Pont公司开发了汽车用RYNITE PET系列材料，该材料在用于薄壁制品时可发挥其优良的流动特性、较小的成型公差，可设计多腔模具来提高生产效率。与锌、铝等金属相比，RYN1TE PET具有良好的材料性能、加工工艺特性和较低的价格使其制品具有很高的性价比和较轻的质量，在轿车领域具有广泛的应用前景。,50,联合信号公司（Allied-Signal）研发的Petra系列PET具有优良的耐高温性能和优异的低温冲击强度，经得起高于200的电喷着色处理，另外由它制成的制品具有很好的表面性能，可用于制造汽车的内、外装饰件，如车门、门支撑架、引擎盖等。,10）PET合金,51,GE公司(沙伯基础创新塑料)公司将PET与PBT、PC等共混制成了Valox 800 PET，它不仅具有良好的表面光泽和成形性，而且能在220的高温下使用，冲击强度达648 Jm，可用于轿车车身的制造。德国BTE公司用GF增强PET研发出汽车用塑料车轮。该车轮的最大优点是不生锈。塑料车轮较轻，可以减轻汽车非悬挂件的质量，使汽车更易于操作、更舒适。,10）PET合金,52,11）玻璃纤维增强塑料,汽车用纤维复合材料轻质高强，其拉伸、弯曲、压缩弹性模量、抗蠕变及耐疲劳特性好，可采用注射、挤出、压制、层压等多种成型方法加工，成型周期短、生产效率高，因此其应用领域在不断扩大。为了更好的发挥纤维在塑料中的增强作用，在塑料中纤维长度必须大于临界长度LC，否则其增强作用就同一般的粉末填料相同，因而目前长纤维增强热塑性塑料(LFRT)已成为热塑性塑料市场增长最快的品种。,53,长玻璃纤维增强聚丙烯(LGFPP),SABIC STAMAX公司近年开发了一种高弹性模量复合材料LGF-PP，玻璃纤维的长度为12-25 mm，下表列出了注塑LGFPP典型机械性能。LGFPP可取代现有的材料，用于仪表板托架、保险杠梁、防溅板、车门和IFEM等零部件。,54,12）玻纤毡增强热塑性塑料(GMT),目前，欧美玻纤毡增强热塑性塑料(GMT)在汽车中的应用日趋广泛。成型工艺有两种。一种是干法成型，即利用玻璃纤维针刺毡或连续原丝毡与聚丙烯等热塑性塑料复合成片材，在裁切成所需形状后经红外加热使树脂至塑熔状态，置于模具中加压成型为最终产品。这种片材所制的产品等用于汽车部件，如保险杠衬里等。,55,另一种成型工艺为湿法成型，将短切玻璃纤维与热塑性塑料(如聚丙烯)粒子在水中混合，借助于助剂的作用使塑料颗粒悬浮在水中，将此浆料送到纸机的网上脱水形成片材，该片材经特制的加热系统使塑料粒子达到塑熔状态，将纤维固结在一起最终形成干的片材。用这种片材经模压可以制出各种外观良好的汽车外装饰部件。,12）玻纤毡增强热塑性塑料(GMT),56,近年来随着GMT技术的不断改进，出现了性能更为优越的GMT。它具有以下优点和用途：制件性能稳定，重复性好，适用于轿车仪表盘、座位等结构件；含矿物填料，用作保险杠时兼具有高强度和高韧性，可吸收高能量；流动性好，用于发动机减噪装置时可设计成壁厚小但有细筋增强的制件；制件可回收利用，经济性好，是某些汽车车身底板的理想材料。,12）玻纤毡增强热塑性塑料(GMT),57,13）碳纤维增强复合材料,2003年，Daimler Chrysler公司推出的Dodge Viper型跑车的挡板支架系统首次将碳纤维应用在大型底盘和车身外部部件上。近年来，日本开始研究采用碳纤复合材料代替目前正在使用的铝合金，来制造汽车涡轮增压器压气机叶轮，具有强度高、耐久性好和可靠性高的优点，并使叶轮质量减轻了48，降低了转子惯量，提高了转子加速性能，缩短了涡轮增压器的响应滞后。,58,14）生物复合塑料,最近，帝人纤维与马自达共同开发出使用聚乳酸纤维的汽车座椅材料；用于马自达“Premacy Hydrogen RE Hybrid”车型座席和门板。马自达汽车制造厂与广岛大学签署了合作研究协议，将开发系列聚丙烯生物塑料以供汽车用途。该项目将使用“第二代”生物塑料生产技术，使用不可食用的高纤维素含量植物如植物茎或木材刨花。丰田2003 年首次在汽车中使用了生物塑料聚乳酸和洋麻的混合材料作为备用轮胎罩和车垫的材料，计划到2015年，将20的汽车塑料部件更换为生物塑料。,59,15）金属塑料,据报道，一种集塑料和金属特点于一身的新型材料一一“金属塑料”最近由我国科学家研制成功。目前，德国朗盛公司正致力于开发由塑料与金属做成的混合元件。其原理是在钢板内注入塑料，并产生若干支点，由特殊纤维如玻璃纤维、B纤维或碳纤维根据不同用途浇铸在热塑模架里制成。这项技术已经在汽车工业中得到了广泛的应用。车头前部大规模使用这种技术的车型包括了福特福克斯CMAX，大众辉腾和宝马1系，以及奥迪A6的车顶部机构。,60,16)片状模塑料(SMC),片状模塑料（SMC）是一种干法制造不饱和聚酯玻璃钢制品的模塑料。SMC模压片材中间芯材是由经树脂糊充分浸渍的短切纤维（或毡）组成，上下两面用聚乙烯薄膜覆盖。树脂糊里含有不饱和聚酯树脂、引发剂、化学增稠剂、低收缩添加剂、填料、脱模剂、着色剂等各种组分。本田2006款Redgeline皮卡采用了SMC行李厢。,61,17）纳米复合塑料,纳米复合材料具有许多优异的性能，如强度高、耐热、抗紫外线、阻燃、阻隔性好，加工性能好等。纳米PA、纳米TPO、纳米聚酯、纳米紫外固化丙烯酸酯树脂、纳米聚酰亚胺、纳米聚甲醛等通用2004款雪弗莱Impala车身侧面部件采用纳米TPO制造。本田2004款Acura TL座椅背采用纳米PP。,62,4、结束语,随着汽车工业对塑料要求的逐渐提高，塑料应用已由普通装饰件发展到结构件、功能件；普通塑料已不能满足要求，通用塑料扩展到强度高、冲击性能好的高性能增强工程塑料；传统塑料发展到改性塑料、功能塑料、复合材料塑料，出现了一些列新材料、新工艺。未来几年，塑料在汽车上的应用可能从部分替代金属向大部或全部替代发展，从而实现汽午的全塑料化。,63,致谢：感谢沙伯基础创新塑料技术资料支持！,