汽车常用材料的应用
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摘要：汽车行业经过数十年的快速发展，推动了汽车材料制品行业的巨大变革。在“十二五”期间，汽车制品行业在结构调整、转型和发展中不断升级。汽车制品行业的迅速发展，先后涌现出了诸多新型材料和新技术。其中，以汽车轻量化材料和以塑代钢材料为典型代表，因其拥有成型任意形状、生产率高、成本低等优点，推动了汽车领域的改性材料商业化的普及。结合汽车制品ISO质量体系管控，产品质量的稳定性及产品结构的合理性得到保证，有效的控制质量成本、减少浪费和提高生产率。
关键词：改性材料;质量成本;
一、汽车常用材料PP和ABS的特点：
近年来，随着对汽车燃料消耗和排放的规定日益严格，促进了汽车轻量化材料的快速发展，同时新能源汽车市场也应运而生并且发展迅速。非金属材料在乘用车中的应用很常见，其应用比重在很大程度上也直接影响着汽车油耗（非金属材料应用比重与燃油油耗成反比），随着时代的变革非金属材料的应用比重由原来的1/3逐年上升。其中，PP和ABS改性材料在汽车常用材料的应用中占据主导地位。
汽车常用材料PP、ABS材料特点如下：
聚丙烯（英文全称：Polypropylene，简称PP）是一种半结晶的热塑性塑料。它具有高抗冲击性，强机械性能，耐各种有机溶剂和酸碱腐蚀。由于其低价格和优越的性能，汽车内外饰件的应用主要以PP材料为主，主要应用有：前后保险杠、主副仪表板、前后护板、下格栅、挡泥板、轮罩、导流板、A/B/C柱内护板、门板等。
丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物（英文全称：Acrylonitrile Butadiene Styrene，简称ABS）是一种强度高，韧性好，且易于加工的热塑性聚合物材料，是丙烯腈、苯乙烯、丁二烯三种单体的接枝共聚物，适于制作制造通用机械零件，减磨零件，传动零件和电讯零件。它是一种用途极为广泛的热塑性工程塑料。汽车内外饰装饰件以电镀、烫印、水转印等工艺为主题的零部件应用材料主要为ABS材料，主要应用范围有：上格栅、尾翼、高光注塑件、背门牌照、电镀装饰件、中控面罩、扶手面板等。
综上所述，通过单位换算可知：
1Mpa=10.3Kg/cm2=0.103Kg/mm2
即PP-T20材料的拉伸屈服强度可承受1.96Kg/mm2（试验方法：按GB/T1040.2-2006/IA/50采用1A型式样170mm*10mm*4mm进行试验），目前汽车零部件单体重量不超过15Kg，因此PP和ABS材料的产品结构强度均可满足任意产品装饰件的强度要求。
二、国内汽车材料应用的现状：
1）参考借鉴合资品牌车型材料的应用，盲目借用材料造成应用不合理，材料性能不符造成成本浪费同时也造成了生产成本的增加;
2）材料性能与结构设计不匹配，造成产品外观不良，甚至造成产品的使用寿命不达标;
3）不同材料型号混用造成性能差异、不同材料批次保质期不同混用造成产品性能不稳定，造成产品批量质量问题;
4）对材料应用的刚度和强度的定义理解不透彻：
4.1）刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力。是材料或结构弹性变形难易程度的表征;
4.2）强度是指在力学上，材料在外力作用下抵抗破坏（变形和断裂）的能力。强度是机械零部件首先应满足的基本要求。
材料应用现状案例：前脸格栅类产品参考通用设计一般采用ABS材料进行制作，因ABS材料拥有良好的光泽、质地较硬、韧性好、刚性强、机械性能适中等优点，是制作格栅的一种良好的通用材料。当长头式卡车前脸大格栅按照一般的通用设计采用ABS材料时，由于发动机带来的高频震动加上前进气大格栅自身应力集中问题，导致前进气大格栅出现频繁开裂。
经过对不同性能的ABS材料进行验证、增加局部产品厚度（增加产品强度、去应力等方式）以及更改产品结构等方式进行产品试验验证，在同一工况下仍出现开裂，最终得出结论为ABS材料的刚度不能满足于长头式卡车工况。
后通过更换材料将ABS材料更换为PP材料，再进行产品试验验证（同一工况下），开裂现象解决。
由此可知，PP材料受力时抵抗弹性变形的能力比ABS材料强，虽然PP材料与ABS材料都是常见的汽车常用材料，但是根据产品所处工况，挑选恰当的应用材料是必要的，不仅能有效的确保产品质量同时还能有效的控制成本（PP材料价格成本低于ABS材料的价格成本），失败的项目策划包含的时间成本和质量成本，对项目造成了不可预估的损失。
三、汽车材料应用的发展形势：
1）汽车轻量化材料技术及以塑代钢是当今国际汽车制造业的发展趋势;
2）材料回收二次开发，在满足产品材料需求的性能外，可降低原料成本压力，减少环境污染，为可持续发展做贡献;
3）积极响应国家“节能减排”政策标准，向着节能、降耗的方向发展，提高材料性能的同时严格管控成本，促进了汽车材料应用的快速发展。
四、汽车材料改性的应用：
为了实现汽车轻量化目标，降低车身零部件的重量，通过将原材料PP进行改性优化、提升性能，研发了玻璃纤维增强塑料PP+30%GF，成功验证了前端模块以塑代钢的可行性。
以塑代钢除了重量减轻之外，其他零部件也可充分利用玻璃纤维成型允许的高度造型自由度，将具有不同厚度的部分削弱区域集成在一起，进一步减轻重量的同时仍可实现所需的功能特性。利用玻璃纤维代替钢制前端模块，使其减重达到30%。
五、汽车材料与工艺：
传统仪表板制作一般采用注塑成型方式，注塑成型因材料、工艺的限制，存在划痕、粒料熔融痕、熔接线等缺陷，针对划痕、粒料熔融痕、熔接线等缺陷一般采用特殊的涂料配方来满足仪表板的外观质量。相對应产品就会存在色差风险同时也增加了成本。 通过材料改性及工艺调试和验证：
1）通过将原材料进行改性，添加0.2～0.5%润滑剂（增加材料表面润滑性），1.2～2.0%滑石粉（通过减小滑石粉颗粒尺寸来增强材料致密性，从而提高产品的耐刮擦性），1.0～2.0%TiO2（增加材料硬度、弹性模量最大化），优化了模具零件生产外观，减少了划痕风险;
2）通过产品模流分析，采用顺序阀浇口成型并优化模具温度，优化成型工艺和浇口配置，最大限度地消除了粒料熔融痕外观;
3）综合分析添加剂的负载和类型与物理性能和材料成本之间的平衡，成本增加最小，且规避了色差风险。
4）通过配方优化，开发出用于仪表板的高耐刮擦聚丙烯材料：①耐刮擦性能由3N提高到17N;②模具特性不受影响;③物理特性不受影响;④零部件整体性能不受影响;⑤零件耐刮擦性能提升，整体零件合格率上升80%，间接的降低了生产成本。
六、汽车材料回收与二次开发应用
汽車材料回收主要针对同一类型的材料回收，因回收材料较之原材料性能会有所降低，以保险杠材料回收为例，二次开发应用需强化材料性能满足单个零件要求，如：①挡泥轮罩;②发动机下挡泥板;③蒸发器箱体;④前后保险杠装饰板等，可通过：
1）添加低分子添加剂改善粒料熔融流动性;
2）加入化学粘合填料和基体树脂添加剂，提高弯曲强度;
3）添加高弯曲模量的填料和树脂，收缩性能得到改善，弯曲模量增加;
4）添加弹性体增容剂改善拉伸伸长率等。
实现了保险杠材料回收以及二次开发应用，有效的减少了材料浪费，降低了原料成本压力。
结语
通过材料改性来提高一些物理性能，已经开发出长玻纤增强材料、免喷涂材料、微发泡材料等汽车领域应用材料，扩大了汽车常用材料的应用范围，逐步实现汽车轻量化目标，降低燃油消耗，并提高汽车舒适性和安全性。
参考文献：
[1] 刘庆潭主编，《材料力学教程》[M]，机械工程出版社，2006;
[2] 陈纪钦主编，《汽车工程材料》[M]，重庆大学出版社，2010;
[3] 贝绍轶主编，《汽车报废拆解与材料回收利用（第2版）》[M]，化学工业出版社，2012;
[4] 张晓明，刘雄亚编著，《纤维增强热塑性复合材料及其应用》[M]，化学工业出版社，2007;
[5] 刘朝福编著，《注塑成型实用手册》[M]，化学工业出版社，2013;
（作者单位：柳州安美科技有限责任公司）
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