汽车轻量化与环保化新材料创新与应用

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汽车轻量化与环保化新材料创新与应用
——访朗盛大中华区技术创新总监胡东祺博士

所谓汽车轻量化，指的是：“采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能的降低汽车自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。当今社会，汽车轻量化对于整车质量降低，以至于提高燃油效率有十分重要的意义。在新能源发展状况还不明朗的形势下，轻量化一成为全世界汽车企业应对低油耗的最佳手段。

此外，轻量化对于提高汽车的操控性、安全性、舒适性也有较大影响，比如，车辆底盘质量降低后会减轻车辆行驶时的颠簸，整个车身会更加稳定，又如，轻量化材料可以吸收碰撞是产生的能量，从而提高车辆的碰撞安全性。在这个汽车技术突飞猛进的时代，汽车轻量化已经成为汽车产业的一项重要研究课题。针对汽车轻量化方面的问题，新材料在线独家采访了朗盛大中华区技术创新总监胡东祺博士。

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1.新材料在线：目前有哪些环保新材料未来可能被运用在汽车轻量化中？汽车轻量化新材料未来的发展趋势是什么？

胡博士：目前，用于汽车轻量化的材料主要有低密度的轻质材料和高强度材料，前者包括以铝、镁、钛合金为代表的金属材料和塑料、纤维等高分子材料，后者主要指高强度钢。

其中，塑料在汽车上的应用日趋广泛，是当前非常具有潜力的轻量化材料。目前发达国家的汽车塑料用量平均占汽车总重的10%-20%，已经不再局限于内、外装饰件、车身覆盖件，广泛应用于引擎盖下及功能部件，如车门结构、车辆前端、车顶框架、备胎槽、油盘、气缸盖罩、传动带、安全气囊外壳、托架、座椅结构、转向杆等，潜在的应用范围还包括油箱载体、交叉横梁、刹车踏板、蓄电池支架等。

塑料-金属复合材料技术（也被称为混合技术）以及纤维增强复合塑料是轻量化塑料领域的一大创新，以其广泛的适用性、良好的性能、较好的减重效果和成本优势，蕴含着新的机会。

例如，与纯金属部件相比，应用朗盛的聚酰胺塑料/金属复合材料技术可将汽车前端减重多达50%。目前，全球已有超过6500万辆汽车采用了基于这项技术的前端应用。混合技术被广泛应用于脚踏板系统、车顶框架、汽车前端、结构插入件等许多汽车部件中。对于汽车部件制造商而言，这种技术经济实惠，且已经可以进行批量生产。

另一项具有突破性哦产品是朗盛的连续纤维增强热塑性复合板Tepex®。Tepex®的决定性优势在于它是同类产品中少数几种可应用于多种部件批量生产的高科技材料之一。很多热塑纤维复合材料通常只适用于中等产量，Tepex®却可以用于大规模的经济制造。在很多场合中，Tepex®是碳纤维强化热固性轻量化材料的高性能经济替代方案。该产品用于替代金属板材，还将大幅提高用于轻量化结构的混合材料技术的潜力。

连续纤维增强热塑性材料的特点包括：轻质 （密度 e.g., 1.8 kg/dm3），高硬度、强度和能量吸收，不腐蚀、高效回收，不需要投入额外工具（e.g. 钢板冲压）。Tepex®碰撞中的性能远好于钢材或长纤维增强塑料部件。

除了以上代替传统钢材的材料，创新的皮革产品也能够对汽车减重有所贡献。皮革在每辆车应用达到5-12平方米，在整车中的重量达到3.3-9.0公斤。使用创新的皮革技术可以使皮革座椅重量更轻、寿命更长、更美观，并且生产过程也更环保可持续。朗盛拥有的X-Lite®技术基于可膨胀的微胶囊，即在皮革的复鞣阶段通过创新工艺将其引入纤维结构中。经过热膨胀之后，它可以制成1.3毫米的全厚度家具皮革，在外观、质感和耐磨性方面与普通皮革别无二致的前提下，但重量却要轻20%。

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2.新材料在线： 塑料在汽车轻量化应用中需要解决的难题？

胡博士：塑料及复合材料不只是金属材料的简单替代品，塑料应用的开发需要以市场趋势和客户需求为导向。材料供应商可以更多地和下游客户或汽车生产商共同开展研发工作，并积极与汽车原始设备制造商（OEM）合作，参与整车的自主研发，共同开发符合下游要求的轻量化零部件材料，满足市场对汽车行业发展的需求，帮助整车企业提升市场竞争力。产业链上下游之间更开放的合作将进一步推动车用塑料的开发应用。

3.新材料在线：国内汽车在轻量化技术方面与国外先进水平相比存在哪些优势和差距？

胡博士：汽车轻量化技术并非仅仅依靠材料，汽车轻量化是设计、制造、材料技术集成的工程。汽车轻量化材料的应用需要兼顾技术上可行和经济上合理。所以，轻量化技术不仅仅是轻量化的材料，更需要提供一个解决方案，可以帮助汽车制造商加快塑料零部件从概念到成品制造的整个开发过程，进而缩短开发周期及降低成本。比如朗盛向包括汽车行业提供注塑和吹塑成型零部件、复合板材应用以及新应用开发阶段各个环节的综合工程服务，包括概念开发、初期可行性研究、计算机辅助设计（ CAD ）、计算机辅助工程（ CAE ）、辅助注塑设计以及零部件测试等。

朗盛为合作伙伴提供的多种开发前端支架的HiAnt服务，帮助客户进行结构设计、机械FEM计算以及进行流变分析，以将翘曲、萎缩以及填模的可能性降至最低。朗盛的专家还会就车门系统的选择和车壁厚度的优化给出建议，并协助客户实现规模化生产。

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4.新材料在线：我国汽车轻量化新材料应用存在的问题？制约我国汽车轻量化新材料应用的因素？

胡博士：总体而言，我们预期一直到2017年，全球对高科技塑料的需求将以每年5%的速率增长。在亚洲，尤其是在中国，增长率可能要高一些。就聚酰胺和聚对苯二甲酸丁二醇酯应用而言，欧洲汽车制造商平均每辆车的用量在15至25公斤之间，而韩国现代大约是20至25公斤。在中国的汽车制造商平均每辆车的用量在10公斤左右，这意味着还存在巨大的空间开发和使用更多的轻量化材料，尤其对中国本土品牌而言。中国工程塑料市场还远未进入成熟阶段，仍存在巨大的新技术和新应用的空间。

汽车轻量化新材料市场的成长在于让生产商意识到他们需要更快地接受新技术，从长远角度提升自身的竞争力并降低成本。轻量化材料不仅可以减轻汽车重量，从而满足对汽车排放日益严格的要求，还可以提升汽车的操控性能。随着中国汽车消费市场逐渐成熟，消费者愿意花钱在最好的品质和最先进的科技，汽车生产商有会更有动力提升产品质量。

以MINI John CooperWorks GP赛车为例，朗盛Tepex复合材料应用于制造车身下保护板，为发动机舱提供保护。这款Tepex dynalite系列的产品材料强度和韧度极高，强化了车底保护，非常适合于这种车型的需要。在糟糕的道路状况下，令车底在碎石的频繁袭击甚至与颠簸行驶情况下的抗冲击的能力极大地增强了。

这款保护罩使用一种流动与成型工艺相结合的压模成型法制成。在此过程中，聚丙烯与连续玻璃纤维纤纱束复合形成DLFT（即“直接长纤维热塑料”），后者通过压模成型法直接制成部件。这种生产工艺的尤其独特之处在于：两层Tepex dynalite外层也同时压膜到部件上，以强化部件上受应力最大的特定区域。如此制成了一种“三明治”部件，核心是DLFT，而部分表面则由高性能复合材料制成。与单纯的聚丙烯DLFT部件相比，这一的外层令部件的强度和能量吸收能力增强了三倍。“三明治”DLFT解决方案可以比钢材轻50%，比铝材轻20%。热塑性塑料‘三明治’复合材料在碎石碰撞之下还具备更好的隔音效果——换言之它的声学性能也是一流的。

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5.新材料在线：郎盛在新材料的创新和应用上有什么优势？以及朗盛新材料未来发展计划？

胡博士：朗盛高性能材料业务部旗下有杜力顿®（基于聚酰胺）和保根®（基于聚对苯二甲酸丁二醇酯）系列知名的品牌。聚酰胺和聚对苯二甲酸丁二醇酯在现代汽车产业中有诸多应用，包括汽车电子系统、气管、轻量化车身结构部件等。在汽车产业中，保根®和杜力顿®轻量化材料正逐步替代金属材料，尤其是在引擎盖下的应用，此处对材料的要求必须能够耐高温、耐化学品腐蚀，并承受持续振动。

朗盛的高性能材料业务部在轻量化材料领域树立了多个标杆。如朗盛的聚酰胺塑料/金属复合材料混合技术，可以最多将汽车零部件的重量减轻50%。混合技术被广泛应用于脚踏板系统、车顶框架、汽车前端、结构插入件等许多汽车部件中。这些解决方案使高性能业务部成为汽车产业轻量化结构件解决方案领域的佼佼者。

朗盛的Tepex纤维增强热塑性复合材料在很多场合中是碳纤维强化热固性轻量化材料的高性能经济替代方案，Tepex®还为我们拓展了许多有趣的应用领域。Tepex®的决定性优势在于它是同类产品中少数几种可应用于多种部件批量生产的高科技材料之一，并树立了新的量产标杆。Tepex高性能复合材料正日益受到工程师们的青睐，因为这些材料可以显著提高由模压成型的纤维增强热塑性材料所制部件的机械强度。

宝马i8汽车的后消声器隔热罩是Tepex的一个最新应用实例。该隔热罩采用热塑性塑料长纤维（直接）在线配混（DLFT）工艺制成，以长玻璃纤维粗纱增强的聚丙烯模压材料为原料，以Tepexdynalite 104-RG601制成的嵌层作面层。Tepex dynalite 104-RG601能够在高温下保持高韧性，因此可以确保隔热罩在后消声器的高温环境中不发生变形或失效。此外， Tepex复合材料还能提高部件在冻结温度下的强度和抗冲击性能。

朗盛不仅提供混合技术和高科技塑料，而且还提供HiAnt®工程服务，以定制轻量化解决方案，满足重量轻、性能高的要求。这一品牌覆盖了先进部件开发的所有阶段，从原材料开发、计算机辅助设计、概念开发、零部件测试直至加工。我们的HiAnt®解决方案使我们成为汽车产业内许多著名厂商首选的合作伙伴，包括奥迪、BMW、奔驰等。