星期四, 5月 19

    国六升级大大推动汽车塑料化需求

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    ■资料来源:CPRJ 中国塑料橡胶

    前言

    升级国六即将推行,传统燃油车的技术升级对汽车轻量 化的需求越来越大,在轻量化升级过程中不乏带来附加 效果的塑料产品,整个汽车行业的变革正在加快,新能 源领域会是下一阶段的重点攻坚方向。
    如果说早几年前升级国六还是悬在众汽车厂家头顶的达 摩克里斯之剑,那么从去年开始这把“悬顶之剑”就 真让厂家急迫起来了。所谓国六,是指国家第六阶段机 动车污染物排放标準,包括《轻型汽车污染物排放限值 及测量方法(中国第六阶段)》和《重型柴油车污染物 排放限值及测量方法(中国第六阶段)》2部分,由环境保护部、国家质检总局分別於2016年12月23日、 2018年6月22日发佈。

    从《全国轻型汽油车排放标準升级时间表》看,国六即 便比国五严苛得多,却并没有留给汽车厂家多少时间準 备,三年的切换速度非常之快。

    国六升级是针对发动机的技术升级,与轻量化没有直接联系,其实不然。一方面来说,国六升级主要针对的是热管理技术和燃烧控制技术,这将不可避免地在某些工况下为了满足排放法规而牺牲掉部分动力性。我们知道反映汽车真实动力性表现的是“比功率”,所以为了弥补缺失的动力,就必须提高轻量化表现。

    另一方面,国六法规测试涉及到多种整车工况测试, 本质来说还是对节能性和减排的考察,所以提高轻量 化表现是重要手段之一。实现汽车轻量化的主要途径 有结构优化设计、轻量化材料应用和采用先进制造工 艺,采用轻质材料,特別是塑料是主流做法。在汽车 生产中,100kg 的塑料可以替代 200-300kg 的其他材 料,从而实现每百公里0.5升以上的节油。

    图 1:国六升级将推动汽车塑料化需求

    打破传统认知

    塑料进气歧管不仅轻,更带来意想不到的效果。面对 国六即将全面到来,汽车轻量化的技术升级在最近一 两年发展迅猛。内外饰中的塑料保险杠、挡泥板、车 轮罩等配件的使用已成为常态。新能源汽车对树脂如尼龙、聚丙烯、聚氨酯和其他工程塑料的需求量非常大,约佔树脂市场需求总量的30%以上;对聚乙烯醇缩丁醛的需求量更是佔到总需求量的85%以上。

    新一轮的产品变革中,像塑料前端框架、塑料尾门、 塑料进气歧管等也已经成为重点发展对象。这一轮的 变革将打破传统认知,因为有些汽车零部件的塑料化 不仅能带来轻量化提升,还能收获意外的效果。我们 拿塑料进气歧管来说,由于歧管形状复杂,用铝合金 铸造将不可避免地增加内壁粗糙度,这会加大空气阻 力,导致噪音大、燃烧不充分、废气排放多等问题。

    近年来由于振动焊接技术的发展,对于大尺寸的玻纤 增强PA66的焊接技术日趋成熟,为此歧管可用射出 成型为二片歧管零件,经振动焊接而成为一体。这种 处理工艺的好处是能大大降低内壁粗糙度,对以上问 题均有缓解,为节能减排贡献一份力量。能收获意外效果的案例还出现在座椅骨架塑料化上, 韩华先进材料公司(Hanwha Advanced Materials) 提出的GMT-PP汽车座椅框架概念很新潮,该框架采 用玻璃纤维毡增强热塑性塑料聚丙烯(GMT-PP)复 合物制成,除比现有的钢制框架减重15%~20%外, 还可减少22%的元件、不会有钢材腐蚀问题,并且 因无需焊接,装配成本也降低了不少。

    此外,塑料成型工艺的先天优势使得座椅设计变得更加多元,比如可以重新设计捆绑和保持行李的位置 等。现在的座椅设计比较单一,随着自动驾驶的发展, 座椅作为内饰设计中极为重要的一环,变化应该更多元,所以这个变化是积极的。

    图 2:降低簧下品质可使得车辆的转向回应及悬挂回弹速度更加敏锐

    塑料化符合“真香定律”

    降低簧下品质可使得车辆的转向回应及悬掛回弹速度更加敏锐。由以上可以看到,对于塑料的使用,厂家 虽然有担心认可度低的心理,但事实证明这符合“真 香定律”(真香定律表示预计的事情和最后的结果截然不同的一种心理状态——编者注。) 所以其中不乏做法先锋的厂家让人眼前一亮,比如 “复合材料板簧”的使用就很有先锋性,这种复合 材料的主要成分包括增强纤维和树脂基体,然后经过 RTM工艺合成在一起。复合材料板簧的总重量(含金 属接头)仅为钢板弹簧的一半,可以实现轻量化。又 因为载荷分布更均匀、自带的阻尼特性可加快振动衰 减、单片簧结构能减缓异响等因素加持,还能提高乘 坐舒适性。

    最新款的沃尔沃XC60底盘悬架中就采用了这种复合 材料叶片弹簧,由玻璃纤维(本特勒公司提供)和聚 氨酯(汉高公司提供)加工而成。其实不仅仅是沃尔 沃,国外的一些轻量化重卡车和客车都开始采用复合 材料叶片弹簧结构。我们知道重卡和客车的使用工况会比乘用车更恶劣,这也直接说明复合材料叶片弹簧 结构的耐久性并不差。

    “油改平台”指的是在传统燃油车平台上改造而来, 在很多技术细节上有很大延续,所以必然会存在技术 局限性。类似的,特斯拉在Model 3的前悬架上叉臂 上采用了塑料材质,新宝马5系后悬架控制臂的连接 杆也采用了塑料材质,虽然比不上沃尔沃XC60激进, 但无疑是在释放一个信号——塑料在结构件上也能担 当重任。除上述有特点的汽车部件外,汽车零部件塑 料化的情况还有很多,比如汽缸盖、垫圈、手柄、操 纵杆、固定支架等用玻璃纤维增强塑料制造;水泵叶 轮、排气阀、油门踏板、轴套、齿轮、滑块、锁定装 置固定垫片等用聚甲醛制造;转向盘开关壳体、车门 锁杆按钮、仪表板插片、启动拉索手柄等用ABS材料 制造。

    图 3:油改平台”指的是在传统燃油车平台上改造而来,在很多技术细节上有很大延续,所以必然会存在技术局限性

    敲醒汽车新能源化警钟

    从另一种角度说,升级国六是给各厂家敲醒了汽车急需新能源化的警钟。所以在升级传统燃油车的同时, 在新能源领域尽快挣得一定的市场份额和积累一定的 技术是各家当务之急。所以我们能看到,在新能源动 力电池结构中,支架、框架和端板通常会选择有阻燃 性的PPE、PC/ABS合金及阻燃增强PA材料,正是为 了提高轻量化表现。

    其实除了以上塑料件的使用外,新能源汽车塑料件的 使用不论是深度还是广度都大有可期,这片市场有 着广阔的发展空间。我们拿2018年来说,中国车市 出现自1990年以来的首次年度下滑,全年销量止步 2808.06万辆,同比下降2.76%。但新能源汽车市场 却逆势增长,销量同比大涨61.7%至125.6万辆,超 额完成100万辆销量目标。

    新能源汽车全球销量第一的比亚迪股份有限公司董事 长兼总裁王传福表示:“我们保守估计 2025 年,新 能源汽车市场占有率将会达到30%,这是一片新蓝 海。”就发展情况看,过去一两年,很多传统企业推出了自己的纯电平台,而非坚持油改平台。随着纯电 平台的推出,很多传统技术壁垒将被打破,这将有利 於塑料件的投入使用。
    以上我们聊到了新能源动力电池对塑料件的青睐,其 实塑料件的使用并不局限於此。充电口的材质目前市 场上有全塑料和塑料+金属两种;就高压电气来说, 目前有一部分金属外壳在不需要考虑遮罩问题的前提 下可以做以塑代钢处理。
    在今年的米兰设计周期间,设计工作室Mandalaki和 Estrima 合作推出了一款概念车 Estrima,它定位为 4 轮全电动城市车。这款新车使用了80%的再生塑料 (另20%主要是PVC),并预计将在7月份开始销售。

    图 4:在节能环保、以塑代刚的趋势下,汽车用改性塑料材料将进一步得到提升,车用改性塑料材料也将迈向大规模推广应用

    新能源汽车塑料化

    在节能环保、以塑代刚的趋势下,汽车用改性塑料材 料将进一步得到提升,车用改性塑料材料也将迈向大 规模推广应用。就塑料材料的选择,LFT改性塑料即长纤维增强热塑性塑料已然成为热点项目。LFT的增 强纤维有玻璃纤维、碳纤维、芳香族聚酰胺纤维、不 锈钢纤维等,其中以玻璃纤维为主;基体材料主要有 聚丙烯(PP),此外还有PA、PPA、PBT等。它作为 纤维增强聚合物领域的一种新型轻量化材料,具有良 好的尺寸稳定性、优良的耐冲击性和化学稳定。

    LFT改性塑料被应用于多处车身配件上,可被用于制 作结构和半结构部件,例如前端模块、保险杠大樑、 仪表盘骨架、电池托架、备用轮胎仓、座椅骨架、脚 踏板、发动机罩、行李架、全景车窗等车身配件。 除LFT改性塑料的使用外,我们知道新能源汽车燃烧 问题很敏感,包括连接器、接插件、开关件等充电连 接元件和充电桩壳体、电源模块外壳、充电器外壳等 壳体部件都对材料要求有良好的电气绝缘性、阻燃性 (UL94 V0)、高耐热性。

    目前,世界各国没有统一的车用电压标準,各大新能 源汽车企业采用的电压各有不同。拿发展较为成熟的比亚迪来说,他们的新能源车高压电压可达690V, 瞬间脉冲可达800V以上。如果不采用阻燃材料,一 旦电压击穿或遇高温,可导致整车漏电或自燃等事 故。所以阻燃材料的技术提升是迫在眉睫。就这点 来说,改性塑料成为一大热点。改性塑料在汽车工 业的作用和地位越来越明显,PP、PA、PC、POM、 PPO、PBT、ABS等都在汽车上得到了较为广泛的应 用。我们拿电池箱体来说,目前大部分采用高强度的 钢、轻金属,很少部分在尝试用SMC取代金属。改 性PPO材料则是锂电池防护壳非常理想的材料之一。 因为它有耐化学性好,阻燃性能强,耐低温及抗冲击 性能,对钴酸锂、锰酸锂等材料具有良好的耐腐蚀性等优点。

    图 5:塑料进气歧管不仅轻,更带来意想不到的效果

    总结

    从升级国六出发,聊到了传统燃油车的技术升级对汽 车轻量化的需求越来越大,在轻量化升级过程中不乏 带来附加效果的塑料产品。而随着国六的推动,整个 汽车行业的变革正在加快,新能源领域会是下一阶段 的重点攻坚方向。在各厂家看到足够诱人的市场前景,并已经摆脱了以往的迷惑后,新能源汽车的轻量 化技术会迎来真正的大爆发时代。

    这对我们的技术提升要求是不小的,一来,塑料材料 要越来越多承担起结构件或半结构件的重任(比如特 斯拉Model 3的前悬架上叉臂);再者,如何解决新 能源汽车自燃问题是逃不掉的难题。其实还不仅仅这 些,从去年奥迪致癌门事件看,车内VOC的控制也 会在未来被严密重视,汽车塑料件在环保工艺上还得 再加把力气才行。

    塑料件的使用也间接推动了焊接工艺的发展,我们知 道塑料激光焊接技术属于非接触焊接技术,同其它焊 接方法相比,它具有非接触、不漏水、焊接速度快、 精度高、焊缝强度高、无飞边、热应力最小、易于控 制、灵活性好、适应性好等诸多优点。车用塑料的连 接是其广泛应用的关键环节,可以说,塑料焊接技术 水準高低将会是衡量汽车生产技术水平及新材料开发 水平的标志之一。

    要点总结

    ‧国六法规测试涉及到多种整车工况测试,本质来说 还是对节能性和减排的考察,所以提高轻量化表现是 重要手段之一。
    ‧ 新一轮的产品变革中,像塑胶前端框架、塑胶尾门、 塑胶进气歧管等也已经成为重点发展对象。 ‧塑料化势必再行。 ‧塑料还接技术将会是衡量汽车生产技术水平及新材 料开发水平的标志之一 。 ■

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