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汽车非金属材料如何助阵中国汽车产业变革?

近年来,我国汽车产业不断发展壮大,作为全球最大的汽车消费市场,2016年汽车产销突破2800万辆,连续8年位居全球第一。随着汽车产销量的增长,以及相关技术的进步,中国汽车产业站在了转型升级的关口。按照“中国制造2025”以及《汽车产业中长期发展规划》的要求,既要加大力度推进新能源汽车的发展,也要做好传统内燃机汽车的节能减排工作,并将电子信息技术广泛应用在汽车上,以信息化手段促进汽车工业发展。另外备受瞩目的《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》(以下简称“双积分”)政策已经于今年9月底正式公布,该政策将于2018年4 月 1 日正式实行。在双积分政策背景下,中外车企大力发展节能与新能源汽车已经是大势所趋,而汽车非金属材料在这一过程中扮演着十分重要的角色。


为促进我国汽车非金属材料及制品技术水平的提高,中国汽车工程学会汽车非金属材料分会于11月28日-30日在哈尔滨举办了以“轻量化、功能化、环保化”为主题的年会,以促进行业经验分享、开阔科技人员技术视野、增强自主创新意识和技术积累。

“以塑代钢”的轻量化之路

中国制造2025明确提出,到2020年,乘用车(含新能源乘用车)新车整体油耗降至5升/100公里,2025年,降至4升/100公里左右。到2020年,商用车新车油耗接近国际先进水平,到2025年,达到国际先进水平。而据国际研究机构实验表明,如果汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%至8%;汽车整备质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3至0.6升。因此,在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗成为各车企的发展潮流。

在汽车非金属材料分会第七届年会上,中国一汽新能源开发院材料与轻量化所处长郑虹指出:“目前中国汽车行业成为全球汽车产业中的重要力量,汽车强国的梦想正在逐渐变成现实,为了推进汽车行业的绿色发展,国家出台了一些列汽车产业发展政策,尤其是双积分政策,必然改变各大汽车企业的产品结构,而非金属材料的开发和应用,具有极大的轻量化优势,既能缓解汽车企业在这两方面的压力,又能给非金属行业提供更多的机遇,必将促使行业创新技术,开创汽车产业快速转型升级、推动自主品牌全面振兴。”

近年来汽车轻量化成为降低汽车排放、提高燃烧效率的有效措施,也是汽车材料发展的主要方向,汽车非金属材料的用量也随之上升,其中塑料和弹性体在车身轻量化方面 具有举足轻重的作用。

在车用塑料市场方面,无论是外装饰件、内装饰件,塑料用量都在不断地增加。并且随着工程塑料硬度、强度、拉伸性能的不断提高,塑料车窗、车门、骨架甚至更多的汽车关键性部件都在采用塑料,因此以塑代钢是汽车轻量化重要的发展趋势之一。
按地域划分,车用塑料制品在汽车领域的应用主要分布在美国、西欧、日本和中国;按塑料制品类型划分,在汽车上应用最多的是工程塑料和通用塑料,其中聚丙烯(PP)制品在各大地域的应用是最广泛的;聚氨酯(PU)作为发泡材料在汽车行业中的应用也十分广泛,根据IHS Markit 数据显示,聚氨酯在各个国家汽车材料中占两成左右,汽车内饰上聚氨酯用量非常之大。IHS Markit化工部副总监徐徐认为:“聚氨酯泡沫消费量按地区分布的话,中国无疑是最大的市场,个人认为,聚氨酯材料是汽车用非金属材料中受市场波动影响最小的,预测未来几年内,聚氨酯材料在汽车用量当中还会正增长。”

弹性体在汽车领域可以分为两大类:一类是轮胎应用还有一类是非轮胎的应用。汽车轮胎市场是橡胶最大的终端市场,基本上有70%的橡胶用于了轮胎市场。中国在天然橡胶和合成橡胶市场都占据最大比例,因此,中国是全球最大的橡胶市场,这也是受我国最近几年汽车产业和轮胎产业蓬勃发展的影响。我国的天然橡胶与合成橡胶的消费量巨大,但是自给能力呈现截然相反的状态。

在非轮胎应用领域,三元乙丙橡胶(EPDM)和热塑性聚烯烃弹性体(TPO)有着广阔地应用。数据显示,2001年至2015年,全球乙丙橡胶产量和汽车产量走势基本平行,某种程度上,EPDM的生产状态也可以反映整个汽车市场的状态。但是我国的EPDM产能相对较低,依赖于进口。

随着“以塑代钢”轻量化思路的深度应用,介于橡胶和塑料之间的热塑性弹性体(TPE)的研发与应用也越来越成熟、越来越广泛。2016年全球热塑性弹性体消费量, 已经达到了600万吨,TPE的发展与汽车产业的发展有很大关系,因为TPE的总消费量分布中,有43-44%是用于汽车行业。其中广泛应用于密封条和导槽的TPV 产品在未来市场具有挖掘的潜力。

而言之,汽车轻量化是全球汽车市场发展的必由之路,据高盛集团预测,到2025年,整车制造企业(OEMs)生产的每辆车将减重约200公斤以满足相应需求。在众多的轻质化材料中,橡塑材料作为非金属材料,在汽车轻量化中将起到越来越重要的作用。


安全环保与轻量化不可偏废其一

2014年,全球交通运输业的碳排放量占到了29%,是仅次于重工业的能源企业,说明汽车工业在碳排放比例中占到了相当大的比例,而汽车非金属材料作为轻量化的有效手段被越来越普遍地应用。与此同时,汽车非金属材料的蓬勃发展,也要重视一些问题。

随着消费者对车内气味VOC的要求不断提高,车内空气质量强标的推进,内饰件VOC管控成为各主机厂、内饰件产业面临的挑战。

在汽车VOC这一块,随着国家强标的修订工作的持续进行,以及车内空气质量首次纳入了国六的管理,对于整车企业来说,控制整车企业的VOC符合法律标准的压力越来越急迫。车内气味是各大主机厂最为关心的一块领域,无论是第三方研究机构发布的研究报告还是消费者的投诉情况来看,车内气味作为消费者对于车型主观化的一个评价,对于车企来说,如何改善车内空气质量也是非常重要的。

中国汽车技术研究中心数据资源中心王雷认为:“在汽车研发阶段是不会出现问题的,它出现问题是在量产过程中某一批次的产品,因为工料的问题造车了车内气味让消费者不舒服。”

汽车零部件和车内装饰材料中所含有害物质的释放,包括汽车使用的塑料和橡胶部件、织物、油漆涂料、保温材料、粘合剂等有可能会造成VOC的超标。这些材料中的挥发性物质可以在汽车使用过程中不断释放,持续几个月甚至几年。有研究表明,按照新国标要求的限值,整车VOC超标主要集中表现为乙苯、二甲苯超标,其中密封条、天窗、门锁、座椅、顶衬、工艺胶对整车VOC含量有很大“贡献”,因此这些部件也是整车VOC控制的重点零部件。

王雷介绍:“对于企业来说要做到整车VOC的一个管控,不管是VOC还是气味我们会把目标分解到主要的二三十种内饰的零件,再逐级分解到初始的原材料,就是我们的车内非金属材料,对于大多数整车企业来说,管控体系已经基本建立完备了,采取逐级筛选,纵向管控的方式,整车企业达到VOC国家标准的压力并不是很大,企业的重心放在怎么在国家标准的基础上,更进一步的提升整车的VOC性能。”

另一方面,在整车VOC的控制中,对原材料的优化是根本措施,但同时除原材料本身的配方对VOC的影响较大外,零件的成型工艺和后处理工艺也会影响零部件的挥发物含量,因此VOC的控制从原材料的合成、改性、加工、零件的制作、装配、存储、运输,零件在整车上的装配,设计制造全环节都会影响到整车的VOC。VOC的整改需要整个产业链的变革和管控力度的加强来支持。

除此之外,建立统一的材料检测标准以及明确的评价指标也不可缺少。

生物材料与3D打印技术前景广阔

在汽车环保与轻量化的目标之下,对于新材料和新工艺的开发越来越得到企业的重视。而生物材料和3D打印技术的进步给汽车产业带来更光明的前景。

在生物材料方面,采用聚乳酸PLA+PC、大豆发泡聚氨酯等生物材料,是公认的环保型友好材料,这样可以尽量降低二氧化碳的排放,降低汽车车内的空气污染。创办于1985年的鑫达集团,已经成功将生物基材料应用于轻量化,鑫达集团董事总经理代汝军介绍说:“生物基材料将玉米、甘蔗等作为淀粉的来源合成聚乳酸,作为可降解的材料分解成水和二氧化碳。另外植物纤维的应用也可以降本减重,比如稻壳儿、秸秆都可以磨成粉添加到材料中,不仅达到轻量化的要求,还可以降低成本。”

鑫达除研发生物材料外,还聚焦3D打印技术的开发。3D打印技术源于上世纪七十年代的美国,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘和材料,通过逐层打印的方式来构造物体的新型成型技术。3D打印技术相较于传统技术,具有多样化、节省材料、制造技能简单等特点,是具有颠覆性的技术。

全球3D打印市场在2013年的市值是23亿美元,有望在2020年达到86亿美元,其复合年均增长率(CAGR)为20.6%,同时,医疗、航空、汽车、教育等领域将成为3D打印市场的最大增长点。据了解,到2022年全球医疗3D打印市场规模将达到38.9亿美元(约合人民币260亿人民币)。市场研究公司Allied Market Research通过一份报告给出了预测,未来5年,汽车3D打印市场将以21.8%的复合年均增长率快速发展,最终到2022年全球规模达23.9亿美元。

代汝军谈到3D打印技术在汽车领域的应用时说道:“一辆车从规划设计、定型生产、中期改款到最终下线,过程中需要经历多次修改、验证,在此期间需要进行制造许多样件,传统方法采用快速成型技术,耗时高、成本高,而利用3D打印技术可有效降低成本,缩短研发周期。”

在整车设计环节,与3D打印技术结合的案例有东风公司采用3D打印技术打印整套汽车内饰,装配在样车上供专业人员对外观进行评审,也开放到车展上供观众参观并收集观众意见,以用于后期的设计优化参考。吉利汽车采用3D打印技术制作了空调HVAC总成和风道总成,综合测试空调系统的风量大小、风量非配的合理性、除霜风口出风方向风速的准确性。3D打印技术除了在设计阶段、样件的制造外,可以直接生产车用的外饰件、内饰件、功能件等,比如标致Fractal概念车在车内饰上使用了大量的3D打印的零部件……

作为专业从事高分子复合材料研发生产销售的企业,鑫达的产业规划是打造中国汽车用高分子复合材料产销第一;另外在创新生物可降解材料方面打造从丙交酯、聚乳酸到复合乳酸产业链最全,中国行业内产销第一;而且要达到创新高分子材料3D打印耗材品种最全,国内行业产销量第一。


来源:网易

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