摘要：现代汽车除了满足强度、刚度和使用寿命的要求以外，节能减排和环保也越来越受到关注。汽车轻量化已经成为汽车生产中的一个重要研究内容，以塑代钢是目前轻量化途径中比较常见的一种形式。

质轻、高强、易成型的高分子材料在汽车工业中应用越来越广泛。汽车轻量化用高分子材料成型加工方法也随着汽车轻量化的需求而发展起来。本文介绍了汽车轻量化的实现途径和轻量化用高分子材料成型加工研究进展。

汽车的结构尺寸优化是应用最早和最成熟的轻量化设计技术。结构优化是指满足材料机械强度、刚度和可加工性前提下，通过对结构尺寸、形状等进行重新设计及优化，从而实现质量最轻、造价最低等目标的最优。

随着工业设计逐步兴起及大型工业设计软件的发展，为汽车的轻量化设计带来了契机。优化设计通过理论计算或者仿真软件验证，对车身或者关键结构的强度和刚度等进行优化，尽可能使车身更加流畅简单和零部件更加小型化、薄壁化，实现结构的简化和重量的减轻。

汽车材料要满足几个条件：(1)在保证汽车的各项使用性能的前提下，低成本、长寿命、可回收；(2)具有良好的加工性能。汽车常用材料分为金属材料和非金属材料，金属材料包括镁铝钛及一些合金材料。

非金属材料内涵广泛，涵盖塑料、各种纤维材料和一些复合材料等轻型材料。金属材料属于不可再生资源，比较珍贵，促使纤维增强型复合材料深化应用于汽车工业，纤维增强型复合材料具有密度小、可设计性强、性价比高、可回收利用等特点，在汽车工业中越来越引起重视。

纤维增强聚合物复合材料作为一种高分子材料，相比于金属材料，具有一些特定优异的性能：材料轻质化，能最大限度的降低结构自重；可加工性好，适合形状复杂部件加工；塑料制品弹性变形大，吸震缓冲作用大，能有效保护车辆及车内乘员；不同组分搭配的复合材料外增强组分有碳纤维、玻璃纤维、植物纤维等，既具有相当的机械强度，代替钢板做覆盖件，更有甚者充当保险杆等撞击件，利用复合材料的缓冲吸震特性降低事故次生灾害。

同时降低汽车自重，节约能耗。复合材料不受外界空气、水等侵蚀，有良好的防腐性；可以通过添加不同的填料、增塑剂和硬化剂来制出所需性能的塑料，改变材料的机械强度及加工成型性能，以适应车上不同部件的用途要求。

随着汽车结构件要求的材料性能的提高，长玻纤增强热塑性复合材料因其较高力学性能、低成本及可回收重复使用等优点在汽车零配件中广泛使用。

汽车内饰件中的隔板、仪表盘、车板座椅、门把手以及车内饰件都是采用高分子复合材料。要求材料满足低光泽、防划伤、耐冲击的要求。对于仪表盘，要求耐高温、高强度、防刮伤。对于隔板则侧重于轻便和低光泽。座位则采用了轻质的皮革，要求缓冲能力强，能提升座椅的舒适度。

相对于内饰件，外饰件主要用于制造汽车的保险杆、格栅、翼子板。保险杠以塑代钢，用具有弹性的材料制造，具有较大的变形，在车辆冲撞时依靠大变形缓冲能量，保护车身。格栅用于冷却汽车前置发动机温度而特定设置的汽车外饰，要求硬度大。

汽车内外饰件对汽车整体运行影响不大，质轻、亮泽和流畅的设计曲线是材料的首选特色。其不但彰显了车辆的档次，更能成为轿车声誉和人们购买欲的立足点，主导了车辆新潮流。对于家庭轿车来讲，内外饰件不是结构件，只具有功能要求，但它们却担负了减轻震动、隔离热源、阻隔噪音及装饰功能，对汽车的舒适性起到十分重要的作用。

汽车内外饰件塑料消耗量大，几乎占据了整车塑料用量的50%左右。传统内外饰件采用了金属、纤维制品，重量降不下来，外观和手感欠缺。环保和节能减排意识日趋浓郁，纤维增强热塑性材料以其质轻、高强、耐腐蚀、表面光滑、成本低等一系列优点，因此受到人们的欢迎。

汽车发动机动力强劲，但是具有高温、大扭矩，部分非接触高温及非核心受力零部件正在塑料化。在引擎部件塑料化方面，美国产汽车的气门套和进气总管制造取得新的进展。新型玻纤增强尼龙6和66以及热固性乙烯基酯化合物以其轻质、加工容易、造价低等优点逐步取代了金属气门套(也称作摇杆或凸轮盖)。

戴姆勒-克莱斯勒公司(Daimler Chrysler)大胆运用新技术，最近采用了两种新型塑料气门套。一种是利用增强尼龙66制造V26引擎气门套，据说是第一种在美国产大容量汽车上使用的热塑性塑料。同样，一种用于V8引擎的热固性塑料，据说也是首次在气门套上使用。

杜邦公司在技术报告中声称塑料引擎盖质量减轻了65%，且将油气分离器通过塑料成型做成一体，在降低油损耗的同时提高了引擎效率。在引擎盖的外部栓接了曲轴箱强制通风阀，利用振动焊接技术将阀隔离开，改善了汽车的启动性能。

汽车轻量化技术除了应用于内外装饰件，逐步向车身覆盖件和结构件方面发展。汽车结构件应用前景广阔，应是未来发展的主打方向，并兼具环保功能。由法国Saint Gobian Vetrotex公司研发出的长玻纤增强热塑性复合材料，命名为Teintex系列。2002年的时候，该公司将该材料推向美国市场，命名为Twintex PET，获得了美国市场的欢迎，该产品冲击强度大，效果显著，能够满足汽车结构部件的性能要求。

英国Thompson塑料集团的汽车工业分公司，集成Cannon公司的玻纤增强聚氨酯Interwet技术，很好的实现了结构材料的轻量化。该制造工艺是在模具内部铺塑料薄膜，后续喷上一层聚氨酯-短切玻纤维混合物，该层材料通过纤维-聚氨酯材料增强。

通过该技术促使塑料厚度从4 mm降到2 mm。通过这种方法制造出来的零件耐磨性、抵御噪声和震动性能也有所提高。通过技术革新，将这种工艺运用到发动机侧板、气门套、进气管道、内部零件如后尾箱、行李架、座椅和仪表板的制造。这种工艺集成了聚氨酯结构坚硬、负载强度高、抗冲击性好、隔热、耐磨、耐溶剂和油脂的优点与热塑性表皮耐紫外线、表面光洁、防刮擦、易上色和抗化学物质的优点。

该公司计划在覆盖件等复合部件制造中利用这种工艺，在降低成本的同时能够提升质量。随着塑料工业的发展，各种新型合成树脂不断出现以及通过合金、共混、复合等改性手段得到各种高性能材料已能够满足汽车行业对结构型塑料件及其所用材料提出的各种综合性能指标要求。

车用塑料类型多样，聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、热固性复合材料、ABS、尼龙、聚乙烯属于用量比较大的。其中聚烯烃材料因密度小、性能较好且成本低，其增长势头强劲。

纤维增强热塑性复合材料，顾名思义，其基本相为热塑性聚合物，增强相为纤维，通过一定的工艺将基本相与增强相混合均匀制得的高性能材料。对于这种由两种相构成的复合材料而言，增强相作用显著，在承当外界载荷的同时，还成就了材料髙的比强度和比刚度。

对于作为增强材料的纤维，其较长的长度、高强度、小的断裂伸长率、较高的加工温度以及低质量就成为首要要求；对于这种广泛采用的复合材料，对纤维也提出了价格方面的要求。目前，广泛用于复合材料的纤维包括了碳纤维、植物纤维、有机纤维和玻璃纤维，其中玻璃纤维来源广，强度高，应用最为广泛。

玻璃纤维增强热塑性复合材料是将玻璃纤维均匀的分散到树脂基体内的一种复合材料。基体树脂主要是聚丙烯，在经过玻璃纤维的填充混合增强后，在基体相基础上，复合材料强度、刚度、热学性能都得到相应的提升而被广泛应用到汽车工业、通讯电子、交通运输等行业。

具体而言，玻纤增强复合材料是由基体树脂和玻璃纤维两种不同的材料复合而成的高性能材料。在对材料性能的支撑方面，基本相和增强相扮演者不同的角色。基体相承担了外部大部分载荷并进行压力传递，使其分散均匀。纤维接受基体相传递的压力，反向给与基体相高的强度，并且在一定程度上赋予了玻纤增强复合材料结构件强度和刚度方面的性能。

纤维增强型复合材料因其具有优异的力学性能、耐磨耐热性而引起了企业界和学术界的强力关注，学术界一直在致力于研究长玻纤增强热塑性复合材料的成型工艺及加工设备，扩大其应用范围，推动复合材料的落地生产。

注塑成型工艺是目前制备长玻纤增强热塑性复合材料最为重要的成型工艺，因该成型工艺具备稳定性高、可自动化和效率高等优点，也是目前应用最为广泛的成型工艺。按照材料熔融塑化的次数，长玻纤增强热塑性复合材料注塑成型的工艺方法主要分为两种，一种是粒料法，也称“两步法”；另一种是在线配混直接成型，也称“一步法”。

粒料法(两步法)是经过两次高温加热对材料分别进行塑化和注塑的方法，该方法需要预先通过双螺杆挤出机进行长玻璃纤维与聚丙烯的共混挤出造粒，再将所制得的粒料一起放进注塑机中，经过再一次高温塑化注射后进入模腔保压、冷却成型，该方法所制备的复合材料经过两次塑化，故也称“两步法”，其工艺流程如图2所示。

粒料法具有生产工艺简单和成型精度高等优点，由于经过挤出和注塑二次加热，重复加热能耗高、劳动消耗大、综合效率不高，更重要的是螺杆两次对玻纤进行剪切，导致了玻纤结构破坏，从而对复合材料最终的性能产生影响。

图2：料粒法成型工艺示意图 

图3 单螺杆在线配混注射成型原理示意图

1-驱动电机；2-传动轴；3-变速箱；4-连续纤维；5-料斗；6-热电偶；7-熔胶筒；8-外加热器；9-螺杆；10-进料口；11-保护套；12-分流锥；13-模头；14-模腔；15-加热器；16-切纤装置；17-喂纤装置；18-机架；19-液压系统；20-控制系统

在线配混直接成型(一步法)即将玻璃纤维、热塑性树脂和其他助剂等在一条生产线上配混，再利用挤出机挤出成型来制备LFRT。其原理图如图3所示，热塑性树脂从料斗5中加入，在单螺杆9的作用下向前进行塑化运输。

长玻纤4在切纤装置16和侧喂料装置17的作用下进入料筒与熔融热塑性树脂进行配混，经过一段时间熔融塑化后，借助液压系统19的外力，将塑化后LFRT从模头13挤出进入模腔14制得LFRT，实现了LFRT在线配混。相比料粒法，在线配混直接成型没有中间造粒这个环节，配混和注塑按照时序连续进行，并且可以根据应用变化快速调整，完成自动化操作。

该方法具有能耗更低和成本更低的优点。目前，LFRT在线配混直接注塑成型技术已被许多欧美的汽车复合材料零部件生产企业广泛应用。

热模压成型工艺具有结构简单、热稳定性好和制品外形多样化等优点，是制备LFRT复合材料较常用的成型工艺之一。其工艺流程如图4所示，利用加热设备在高温作用下将热塑性材料加热到熔融的状态，再与玻璃纤维一起转移至加热模具进模压，通过保压、冷却成型和脱模的过程来制备LFRT，是制备LFRT较为传统的成型工艺。

图4 热模压成型型工艺流程示意图

同时从汽车零配件的生产来看，模压成型工艺具有成型效率高、产品尺寸稳定性好等优势。在新的形势下，模压制品适用领域不断扩大，模压工艺及设备水平升级，低污染、高效率、良好排气性能等绿色制造要求呼之欲出。植物等天然纤维、碳纤维、热塑性片材、复合纤维织物等新型模压材料随着模压设备的发展而发展。新兴产业新能源汽车异军突起，汽车外围覆盖件等大型制件需求助推了高压模压成型技术及其增强复合材料的发展。

随着绿色制造要求的呼声越来越紧，未来模压成型将往几个方向发展。在原材料方面，采用热塑性塑料代替传统的热固性塑料，在单纯追求力学性能的同时也要求了可降解生物循环性能及环境友好性；在生产制造过程，采用更先进的智能化生产设备，在提高材料利用率的同时也提升了效率，降低了劳动强度；在终端产品方面，模压制件将朝着大型结构化、集约化及模块化方向前进。相对于传统的模压成型工艺，新型技术及设备更加环保、智能、快速。

拉挤成型是借助外力牵引下纤维粗纱经过浸渍、固化和切料等工序来制备LFRT的成型工艺，成型后的材料截面固定且实现材料连续生产，其工艺流程如图5所示。该成型工艺具有连续成型、生产效率高和制品性能稳定等优点，是制造高纤维体积含量、高性能低成本复合材料的一种重要方法。

图5 拉挤成型工艺流程示意图

汽车轻量化是未来汽车工业的发展方向，有助于减轻排放、节约能源，并大大改善了汽车的综合性能。在促进汽车设计及生产革新的同时，还会给整个汽车生产和销售行业带来新的挑战和新的机遇。汽车新型材料的应用以及汽车轻量化用高分子材料成型加工研究都有很好的发展前景。

目前国内外汽车的内饰件已基本实现塑料化，如何扩大塑料件使用范围，使得塑料使用在外部构件、车身、和主要构件零部件等范围，将是未来汽车工业发展的趋势。今后的重点发展方向是开发结构件、外装件用的增强塑料复合材料、高性能树脂材料与塑料。

汽车轻量化引领了未来汽车工业发展的风向标，是汽车工业发展的一个重要方向。结合节能降耗绿色环保等终极要求，汽车轻量化在未来拥有巨大的发展空间。总结上述汽车材料应用现状及未来发展趋势的分析，可以看出必须对汽车轻量化用高分子材料成型加工的研发从战略高度加以重视，也要顺应未来汽车发展的潮流。