塑料在汽車上得到了大量的應(yīng)用，目前這種應(yīng)用隨著輕量化需求的進(jìn)一步提升，其范圍已經(jīng)延伸到駕駛艙之外的其他系統(tǒng)和部件上。

目前汽車工程師和設(shè)計(jì)人員降低車重的方式來(lái)看，汽車上似乎沒(méi)有一個(gè)地方是安全的了。各種不同種類的材料都等待著應(yīng)用到汽車上，它們要么用于一些成熟的部件上，要么尋求一些新的應(yīng)用領(lǐng)域。鋼鐵行業(yè)聲稱將推出新的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，可以減少材料的使用量，而且其他一些金屬如鋁和錳一直以來(lái)也打著輕量化的旗號(hào)。

塑料和復(fù)合材料同樣因其在輕量化方面的性能而得到廣泛的認(rèn)可，此外它們還可以帶來(lái)設(shè)計(jì)方面的自由度。不過(guò)這些材料的缺點(diǎn)也很明顯，比如制造方面的挑戰(zhàn)就會(huì)限制大批量生產(chǎn)成本效益的提高。不過(guò)，供應(yīng)商在這方面也取得了巨大的進(jìn)步，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)并提高制造流程效率來(lái)克服塑料在這方面的缺點(diǎn)。

雖然塑料在汽車內(nèi)部的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍了，而且在外部車身方面也越來(lái)越普遍，比如車頂模塊和擋泥板上，不過(guò)它們依然在拓展到新的應(yīng)用領(lǐng)域。本文接下來(lái)將詳細(xì)介紹這些新的應(yīng)用，包括底盤部件、太陽(yáng)能模塊、電池以及后擋風(fēng)玻璃。

纖維增強(qiáng)塑料用于底盤部件上

采埃孚公司在底盤設(shè)計(jì)方面正在尋求新的應(yīng)用材料。在去年9月份的法蘭克福車展上，該公司展示了他們?cè)诓捎锰祭w維復(fù)合材料降低底盤后橋和減震器重量方面的研究成果。

今天車輛的底盤不僅要保證駕駛的安全性還要提供一種駕駛感覺(jué)，同時(shí)還要保證乘坐舒適性。這些要求導(dǎo)致底盤變得越來(lái)越復(fù)雜，也越來(lái)越重，因?yàn)榈妆P的部件數(shù)量在不斷增加，一些主動(dòng)系統(tǒng)也越來(lái)越多。

采埃孚開(kāi)發(fā)了一種新的后橋概念，采用新的材料并進(jìn)行功能的整合緩解了這種矛盾。這種緊湊型后橋采用了車輪導(dǎo)向橫置板彈簧，材質(zhì)為玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GRP）。

 采埃孚公司設(shè)計(jì)的車輪導(dǎo)向橫置板簧軸采用玻璃纖維增強(qiáng)材料。

這種方式與后扭力梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相比在減重和功能性方面都具有優(yōu)勢(shì)。

“這種技術(shù)可以大大提高車輛的競(jìng)爭(zhēng)力，”該項(xiàng)目位于德國(guó)Friedrichshafen市的工程小組成員Gerhard Gumpoltsberger表示�！拔覀兺ㄟ^(guò)功能整合、替代材料以及生產(chǎn)和裝配流程周期的降低提高了整個(gè)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。該后橋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件數(shù)量很少，在重量方面即使與后扭力粱設(shè)計(jì)相比也具有一定的優(yōu)勢(shì)�！�

“除此之外，這種后橋的特性與多連桿后橋很接近，”Gumpoltsberger接著說(shuō)。板簧采用的玻璃纖維增強(qiáng)材料在縱向上剛性很高，但是在垂直方向上彈性很高。彈簧采用兩個(gè)鉸點(diǎn)固定，車輪動(dòng)能可以得到很好的減震，而且彈簧也沒(méi)有扭力出現(xiàn)。車輪位置通過(guò)兩個(gè)金屬桿來(lái)確定。

“ 這項(xiàng)研究的主要目標(biāo)之一就是從量產(chǎn)方面對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，”Gumpoltsberger說(shuō)，畢竟這才是將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用到懸掛系統(tǒng)中面臨的真正挑戰(zhàn)。

在法蘭克福車展上，采埃孚還展出了一款超輕底盤部件原型，即倒置的單管麥弗遜式減震器，整合了采用碳纖維增強(qiáng)聚酯（CFRP）材料的車輪軸架。該減震器有兩個(gè)好處：減震器倒置的設(shè)計(jì)方式在減震管提供測(cè)力支持有利于輕質(zhì)的減震桿工作。將減震器與采用CFRP材料的車輪軸架整合在一起，總的減震器模塊重量可以得到大幅降低，大約只是當(dāng)前輕質(zhì)鋁材料模塊的一半左右。

采埃孚公司這種CFRP結(jié)構(gòu)是有限元分析的結(jié)果。從車輪軸架的負(fù)荷路徑開(kāi)始，承載負(fù)荷的支架與推力矢量完全匹配起來(lái)。

“目前，我們?cè)O(shè)計(jì)的CRFP原型結(jié)構(gòu)負(fù)荷只加載到30%。我們的目標(biāo)是最終可以采用一種材料，使負(fù)荷達(dá)到70%，”采埃孚薩克斯開(kāi)發(fā)小組Hendrik Marquar說(shuō)�！俺�了減重方面的好處，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)還包含一個(gè)塑料波紋管彈簧，在減震的時(shí)候可以提高車輛NVH性能，比鋼彈簧效果好，”Marquar說(shuō)�！盀榱吮阌谶M(jìn)行碰撞分析，車輪軸架采用的纖維中編入一根信號(hào)傳遞光纖。這根光纖在軸架超載時(shí)可以發(fā)出電子信號(hào)，就好像應(yīng)變儀一樣。主動(dòng)安全系統(tǒng)也可以采用該信號(hào)數(shù)據(jù)，因?yàn)樾盘?hào)傳遞光纖可以即時(shí)探測(cè)出負(fù)荷的大小和方向�！�Jörg Christoffel

塑料太陽(yáng)能電池模塊

采用太陽(yáng)能為汽車電子系統(tǒng)或輔助系統(tǒng)如空調(diào)等提供電能，甚至為電瓶充電，引起了越來(lái)越多的關(guān)注。去年法蘭克福車展上一家名為REVA Electric Car的公司展出了相關(guān)的研究成果。這家印度汽車制造商推出了一款名為REVA NXR三門掀背轎車。作為這款車的選配件，車頂太陽(yáng)能電池板可以為車載電瓶提供連續(xù)性補(bǔ)充充電。

新款豐田Prius也提供了一種可選的滑動(dòng)玻璃天窗，整合了Kyocera公司開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能電池板。在汽車停在太陽(yáng)下的時(shí)候可以為汽車通風(fēng)系統(tǒng)提供電能。

不過(guò)應(yīng)用于汽車上的太陽(yáng)能電池模塊目前來(lái)看依然是一個(gè)市場(chǎng)份額很小的產(chǎn)品。其中的原因據(jù)Proof Design andInnovation Management公司稱主要是因?yàn)椴捎貌ＡУ碾姵啬�塊制造方式在尺寸和重量方面限制了光伏電池的應(yīng)用。這家德國(guó)公司在法蘭克福車展上展出了一款采用塑料的光伏模塊解決方案，稱為復(fù)合太陽(yáng)能電池模塊（CSM）。

“采用Proof CSM太陽(yáng)能電池模塊，你可以在引擎蓋、儀表板甚至后窗臺(tái)板上進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電，這在以前是做不到的，”該公司工程負(fù)責(zé)人Denis le Maire說(shuō)。而與傳統(tǒng)的玻璃模塊相比，這種新的設(shè)計(jì)可以使模塊重量減少50%。

在CSM模塊生產(chǎn)過(guò)程中，太陽(yáng)能電池嵌入到透明度非常高的熱塑性塑料板中間，通過(guò)該公司專利工藝Sunovation進(jìn)行生產(chǎn)。采用的高性能材料有贏創(chuàng)公司的Plexiglas和拜耳材料科技的Makrolon產(chǎn)品。

Proof Design公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師Bettina Weiss說(shuō)，Sunovation工藝包含了目前所有的太陽(yáng)能電池技術(shù)。他透露公司還與一些電池制造商如Sunways、Uni-Solar和SolarWorld等公司針對(duì)電池模塊展開(kāi)合作。

在太陽(yáng)能電池模塊中采用塑料的地方是面板和電池之間的硅基凝膠層，當(dāng)然電池板采用的也是硅基材料�！肮璧呐蛎浡实�，而塑料受熱會(huì)膨脹很多，”Weiss解釋道�！耙虼巳绻麑㈦姵仄�直接粘結(jié)到塑料板上的話，肯定會(huì)破裂�；�于這個(gè)原因，我們?cè)谒鼈冎�間增加了一個(gè)中間層，可以吸收材料之間的張力，同時(shí)還可以提供很好的絕緣效果�！�

Weiss指出，CSM面板可以很好地抵消機(jī)械張力，與玻璃模塊相比不僅質(zhì)量更輕韌性更好，抗斷裂性也更高。這些特性使這種技術(shù)不僅適用于乘用車還可以用于重型卡車，甚至是輪船上。

Proof Design公司在太陽(yáng)能電池模塊方面的另一個(gè)創(chuàng)新體現(xiàn)在設(shè)計(jì)方面，尤其是太陽(yáng)電池片定制化激光切割方面。

“我們是一家設(shè)計(jì)公司，因此我們想讓太陽(yáng)能行業(yè)知道他們需要改變產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，”Weiss說(shuō)�！叭魏我患移�車制造商都想擁有獨(dú)特的電池設(shè)計(jì)，而不是統(tǒng)一的設(shè)計(jì)。我們有專門的激光加工工藝，可以將電池片切割成不同的幾何形狀，這樣可以讓每一個(gè)客戶的產(chǎn)品都具有獨(dú)特性�！�

到2010年底，Proof Design公司的塑料太陽(yáng)能電池模塊將投入批量生產(chǎn)，用于建筑領(lǐng)域�！安贿^(guò)還不會(huì)應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，”Weiss說(shuō)�！拔覀兡壳罢�在與幾家汽車制造商進(jìn)行合作，不過(guò)尚處于原型開(kāi)發(fā)階段。對(duì)于一些試產(chǎn)車型，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了功能性模塊�！�

Weiss還指出，要想讓這種模塊獲得廣泛應(yīng)用，首先要讓汽車制造商接受采用塑料的電池模塊。“如果你想要玻璃模塊的質(zhì)量，那我們只能在塑料方面進(jìn)行努力。不過(guò)像拜耳這樣的公司正在進(jìn)行原材料的研究，這樣我們就可以提供像玻璃一樣的質(zhì)量。如果可以接受塑料的光澤，那么這種模塊的發(fā)展機(jī)會(huì)就出現(xiàn)了�！�Ryan Gehm

導(dǎo)電塑料用于電池模塊

“雖然不能改變電池的工作原理，但是你可以改變電池采用的材料，”IntegralTechnologies公司CEO Bill Robinson說(shuō)。這也是這家總部位于華盛頓州貝靈漢市公司所從事的工作；他們開(kāi)發(fā)了一種稱為ElectriPlast的可注塑成型的導(dǎo)電塑料，這是一種可以導(dǎo)電的共聚混合物。

ElectriPlast由細(xì)小的粒子組成，粒子中混入了金屬纖維。這些粒子注入到注塑機(jī)成型，其中的金屬纖維可以幫助簡(jiǎn)化電池和電子元件的生產(chǎn)流程。Robinson表示，ElectriPlast的獨(dú)特之處在于注塑過(guò)程中材料混合的方式。

“其他類似材料就好像椒鹽混合物，在注塑成型產(chǎn)品內(nèi)產(chǎn)生溫度不均的區(qū)域。ElectriPlast就沒(méi)有這種問(wèn)題，因?yàn)樗�有材料都是混合到粒子中，”他解釋道�！斑@種粒子是整個(gè)流程的關(guān)鍵所在，而我們的客戶收到我們的產(chǎn)品后只需要做一件事：通過(guò)機(jī)器注塑或擠出成型�！�

如果用ElectriPlast替代鉛或不銹鋼用于電池生產(chǎn)中，該公司表示電池的重量可以比目前使用的傳統(tǒng)電池輕9~14kg。Robinson相信這種材料會(huì)廣泛用于當(dāng)前汽車和未來(lái)混合動(dòng)力車中。

“ElectriPlast材料已經(jīng)開(kāi)發(fā)了五年，目前已經(jīng)成熟。我們現(xiàn)在可以為任何一家客戶提供定制化服務(wù)，”他說(shuō)。該公司生產(chǎn)合作伙伴是總部位于印第安納州Jasper市的Jasper Rubber Products公司。Robinson表示，目前已經(jīng)有幾家二級(jí)供應(yīng)商在展開(kāi)對(duì)ElectriPlast材料的分析工作。

除了為一家電池制造商提供幾種不同用于標(biāo)準(zhǔn)12V電池注塑生產(chǎn)的混配物外，該公司還向幾家大型天線制造商提供了一些特殊的混配物。其中一家制造商已經(jīng)生產(chǎn)出了原型產(chǎn)品，而且正在進(jìn)行商業(yè)化測(cè)試工作。

Integral表示，這種材料還可以應(yīng)用在一種新型軍用防護(hù)物上的注塑件中，此外還可以以一種“革命性的方式”應(yīng)用在電線生產(chǎn)中。目前已經(jīng)有一些電線制造商對(duì)此表現(xiàn)出了興趣。

當(dāng)問(wèn)道這種材料與傳統(tǒng)鉛和不銹鋼相比在成本方面會(huì)怎樣時(shí)，該公司CEO回答道，“成本目前不是主要的因素，畢竟盡可能地降低各種部件的重量是制造商追求的目標(biāo)——車輛重量減輕可以提高燃油經(jīng)濟(jì)型�！�Ryan Gehm

拜耳拓展聚碳酸酯應(yīng)用領(lǐng)域

拜耳材料科技認(rèn)為聚碳酸酯在汽車工業(yè)中的應(yīng)用將獲得快速的增長(zhǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域包括全景和層疊式天窗以及側(cè)窗，而且還將延伸到其他地方，比如后擋風(fēng)玻璃。聚碳酸酯不僅比玻璃輕很多，還可以提供較高的設(shè)計(jì)自由度，而且抗碎裂性能好。拜耳模克隆即為這樣一種聚碳酸酯產(chǎn)品。為了研發(fā)新玻璃技術(shù)和提高客戶服務(wù)能力，拜耳還在制造設(shè)施方面進(jìn)行了投資。在其抗刮擦涂層實(shí)驗(yàn)室中，拜耳還有一套用于測(cè)試擋風(fēng)玻璃雨刮器對(duì)材料刮擦效果的設(shè)備。這是拜耳BayVision服務(wù)的一個(gè)部分。

拜耳材料科技在位于德國(guó)萊沃庫(kù)森市的工廠中現(xiàn)在又增加了一臺(tái)恩格爾公司制造的2300t雙色注塑機(jī)，帶有旋轉(zhuǎn)圓盤和注塑壓縮成型功能。該機(jī)器可以生產(chǎn)3D車頂模塊，尺寸最大可以達(dá)到1.2m2，此外還可以生產(chǎn)其他一些復(fù)雜的玻璃部件。整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境需要保持潔凈，因此機(jī)器的生產(chǎn)過(guò)程都是全自動(dòng)的。

拜耳萊沃庫(kù)森市工廠的新設(shè)備可以在預(yù)制薄膜的背部注射成型，即眾所周知的薄膜嵌入成型（film inser tmolding，FIM）。這種工藝可以將其他功能性部件整合到一起，包括車頂模塊中的加熱天線和車窗上的紅外線反射鏡。

拜耳材料科技汽車玻璃小組負(fù)責(zé)人Volkhard Krause說(shuō)，“新的設(shè)備可以讓我們很精確地復(fù)制我們客戶的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，從而幫助他們改進(jìn)模具并解決生產(chǎn)方面的問(wèn)題。”

在最近一次客戶研討會(huì)上，戴姆勒公司汽車玻璃和雨刮器系統(tǒng)部門負(fù)責(zé)人UweRenz稱與聚碳酸酯領(lǐng)域的專家進(jìn)行交流可以幫助這種材料在未來(lái)更廣泛地應(yīng)用到汽車領(lǐng)域中。

拜耳還擴(kuò)展了其在Uerdingen市的涂層工廠。該工廠主要致力于聚硅氧烷涂層的生產(chǎn)。在拜耳位于萊沃庫(kù)森市工廠的潔凈室設(shè)施中，工作人員對(duì)3D聚碳酸酯注塑件進(jìn)行淋涂，尺寸達(dá)到1.4m2。

不過(guò)，抗磨損和抗刮擦性能對(duì)聚碳酸酯部件來(lái)說(shuō)非常重要，尤其在未來(lái)應(yīng)用到后擋風(fēng)玻璃方面這種性能顯得更為重要。注塑壓縮成型方式在連續(xù)生產(chǎn)中效率很高，因?yàn)槿绻�降低注射壓力，注射成型的�?yīng)力和扭力就會(huì)減小，產(chǎn)品的表面質(zhì)量就可以達(dá)到濕涂層的要求。

當(dāng)談到雨刮器測(cè)試項(xiàng)目時(shí)，拜耳材料科技聚碳酸酯汽車玻璃表面改進(jìn)領(lǐng)域?qū)＜?/span>FrankBuckel博士解釋說(shuō)，“相對(duì)于規(guī)定中所要求的Taber耐磨測(cè)試，該測(cè)試可以使我們更真實(shí)、更精確地模擬和再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中擋風(fēng)玻璃刮水器在車窗上施加的壓力。”

Taber試驗(yàn)是將兩個(gè)裝滿金剛砂粒的滾筒以規(guī)定的作用力壓于旋轉(zhuǎn)的試驗(yàn)對(duì)象上。在拜耳的新測(cè)試系統(tǒng)中，涂有需測(cè)試的實(shí)驗(yàn)薄板固定好，使裝有商用刮水片的刮水器以20g/cm2的作用力在薄板上前后移動(dòng)，移動(dòng)速度為14cm/s。

Buckel表示，“最初的測(cè)試顯示，當(dāng)涂有聚硅氧烷涂層的車窗在受污后，使用刮水器進(jìn)行濕擦，即使經(jīng)刮水器的兩片刮水片反復(fù)摩擦3萬(wàn)次后，也不會(huì)產(chǎn)生肉眼可視的霧狀變化�！�

而對(duì)于那些沒(méi)有摩擦的部件（全景天窗和側(cè)窗）的測(cè)試，主要將涂有涂層的實(shí)驗(yàn)薄板固定在車頂上，并在三年的時(shí)間內(nèi)，每周進(jìn)行一次沖洗——在測(cè)試過(guò)程中不會(huì)采用任何保護(hù)性物質(zhì)。拜耳表示，試驗(yàn)顯示，與等離子表面涂層濕涂工藝相比，邁圖高新材料股份有限公司（Momentive Performance Materials）的AS4000聚硅氧烷系統(tǒng)，具備更出色的耐磨性。即使經(jīng)過(guò)150多次洗車，涂有AS4000的�？寺≤嚧耙参闯霈F(xiàn)可見(jiàn)霧狀變化。

該測(cè)試還證實(shí)，涂有純聚硅氧烷涂層的批量生產(chǎn)的聚碳酸酯車窗，有效使用六年多并達(dá)到125,000公里的行駛里程后，依然具備良好耐磨性。