广汽本田技术部解析：轻量化树脂材料在现代汽车内饰中的应用与推广

广汽本田汽车有限公司 技术部

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随着时代不断进步，现代科技高速发展，汽车也迅猛发展，新材料和新工艺持续进步，当下人们对现代汽车提出了一系列更高的要求，包括在舒适性、安全性、环保性和美观性等方面。在这样的背景之下，汽车的轻量化、节能降耗以及低成本化已经成为了汽车工业设计的主导方向。汽车的轻量化一方面体现在汽车车身应用轻量化的钢材上，另一方面，在内饰件占据汽车重量一大部分的情况下，应用轻量化树脂材料也是汽车轻量化研究的重要部分。本文针对汽车内饰件应用轻量化树脂材料进行阐述，希望能对轻量化树脂材料在汽车内饰中的推广应用起到较好的促进作用。

关键词：现代汽车 新材料 轻量化 节能降耗 内饰件

1、轻量化汽车设计的概要与树脂基材料在汽车的应用

汽车轻量化是节能和降低排放的重要方式。使用塑料有助于减轻汽车重量，进而能够间接提升汽车的动力性。相关统计研究表明，每百公里油耗 y 和汽车自身重量 x 存在这样的关系：y 等于 0.003x 加上 3.3434。对于一般汽车来说，若汽车自重减轻 10%，就能节油 6%至 8%。由此可以看出，汽车轻量化在节约能源方面有着重大的意义[1-2]。

汽车工业当前的发展方向是轻量化。汽车轻量化的关键在于树脂基材料开发与应用技术的创新，这体现在两个方面。一方面是开发新型高强度或（和）低密度轻质材料，并制备轻质零件，用这些材料取代传统钢铁零部件，能大幅减轻汽车自重，像高强度钢、铝、镁合金等金属材料以及高分子材料和复合材料等。另一方面是采用新的成形工艺，实现零件及车身部件结构的简化和轻型化，从而节约生产材料、提高工作性能[3]。

汽车轻量化意味着在确保汽车强度以及安全性能的条件下，要尽可能地降低汽车的整车质量。这首先得从对汽车结构进行合理设计开始。现代汽车的设计，几乎全部会应用 CAD/CAE/CAM 分析技术。这种技术可以利用 FEA 有限元分析功能，来分析零部件结构的运动轨迹以及应力分布。还能对生成的相关应力图进行工程分析，同时进行刚度和强度的计算。并且可以对局部进行优化，以此强化设计，最终达到整车质量轻量化以及拥有最强、最安全的整车结构设计的目的。

汽车轻量化常用的材料有玻璃纤维复合材料。钢材在汽车结构设计中具有不可或缺的地位。然而，钢材自身存在密度大的缺点。随着对树脂材料、塑料及聚合物材料的研究与开发，“以塑代钢”已成为汽车工业发展的必然趋势，并且这种趋势从汽车结构件扩展到了整个汽车的内外饰件。

汽车内饰件包含仪表板、车门内板、方向盘、座椅、顶篷、地垫、遮阳板、储物盒、烟灰缸等。还有一些附属设备，像音响、空调、通信、电视、照明灯具等。汽车外装件包含保险杠、散热器格栅、侧防撞条、后导流板、各种车用灯具、车用玻璃，以及车门把手、雨刮、门锁等车身附件。这些内外饰部件在功能、形状和结构上各不相同。要将它们组合起来，形成一个内外饰系统，这个系统需统一、协调且美观。其中许多部品所使用的材料是塑料类材料。目前，世界上不少轿车的塑料用量已超过 120 千克/辆，个别车型的用量更高。像德国奔驰高级轿车，其塑料使用量已达到 150 千克/辆。国内一些轿车的塑料使用量已经达到每辆 90 千克。图 1 展示了汽车内饰件材料应用的当前状况。

图.1

2、树脂基复合材料的组成与分类

树脂基复合材料的基体是合成树脂，增强材料是纤维。在特定的温度和压力作用下，通过成型技术将其塑造成各种不同形状的制品，它是一种新型复合材料。树脂基复合材料越来越多地取代了传统的金属材料[4]。

树脂基复合材料的主要组成部分为树脂基体和纤维增强材料。其中，树脂基体包含热固性树脂以及热塑性树脂；而增强纤维材料方面，常用的有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等。树脂基复合材料按照基体来划分的话，可分为热固性复合材料和热塑性复合材料，并且其性能与树脂基体之间存在着密切的关系。

2.1、热固性树脂与热塑性树脂的特点：

热固性树脂初加热时会软化，能够塑造成型。然而，固化之后再进行加热，它将不再软化，并且也不会溶于溶剂。常用的热固性树脂包含酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚醋树脂以及有机硅树脂等。热塑性树脂在加热时会软化并且熔融，可塑造成型。冷却之后就会成型并保持所得的形状，这一过程是可以重复的。应用较多的热塑性树脂有：尼龙，聚烯烃类，聚苯乙烯类，热塑性聚酯以及聚碳酸酯等。目前车用复合材料的树脂基体仍以热固性树脂为主，然而热固性复合材料存在的缺点是废弃物回收再利用较为困难。

国际社会对环境保护的要求日益提高，热塑性树脂基复合材料开始受到人们的关注。热固性树脂基复合材料与之相比，热塑性树脂基复合材料具备诸多优点。断裂韧性较高，且在成型过程中没有化学反应，所以成型速度较快，成型周期较短；预浸料能够无限期存放，对存放也没有特殊要求，便于回收再利用，不会对环境造成污染；能够达成快速、无污染且自动化的生产。

2.2、树脂基复合材料在汽车上的应用：

汽车用树脂基复合材料中较为典型的是由玻璃纤维和碳纤维增强的复合材料。其中，玻璃纤维增强塑料复合材料（GFRP）在我国被俗称为“玻璃钢”。这种材料具有强度高的特点，同时工艺性能良好且价格较低。它可以用来制造保险杠、发动机罩、挡泥板，甚至整个车身壳体。汽车上常用的玻璃钢有聚苯乙烯玻璃钢、尼龙 66 玻璃钢、聚酯树脂玻璃钢等。原材料得到发展，工艺也有所改进。在汽车领域，大量应用玻璃钢/复合材料将会是未来汽车工业发展的一种必然趋势。

碳纤维增强塑料（CFRP）是汽车轻量化最为理想的材料。主要复合材料增强项的物理性能比较见表 1。从表 1 能够看出，高强钢筋的比强度为 23，玻璃纤维的比强度为 101，碳纤维的比强度为 272，在这三种材料中，碳纤维的比强度最高。

树脂基复合材料在汽车领域用途较为广泛。它能被用于制造汽车的外板，也能用于制造汽车的结构件、内饰件以及内外饰件等。其应用范围从内饰件、覆盖件逐渐向外装件、结构件和功能件进行拓展。传统的车身材料一般是高强度薄钢板，然而为了减轻汽车自身的重量，用树脂基复合材料来代替钢材，这已经成为汽车材料应用发展的一种必然趋势[4]。通用公司在 1953 年就推出了克尔维特（Corvette）牌全塑车身的轿车。其翼子板是用尼龙注射成型的，而所有的壳体则是用玻璃纤维增强塑料（FRP）压铸模塑成型的。到 1980 年时，已有 65%的美国轿车把玻璃钢片状模塑料用作前脸和散热器护栅板。

目前树脂基复合材料被广泛应用于车身结构件，像骨架、梁、柱等；还被用于覆盖件，像前脸面罩、前翼子板、发动机罩、顶盖、车门、行李箱盖、后侧板等；同时也用于保险杠、油箱等车身部件，包括车身壳体、车蓬硬顶、天窗、车门、散热器护栅板、大灯反光板、前后保险杠等，以及车内饰件。这是玻璃钢和复合材料在汽车中的主要应用方向。主要是为了适应车身流线型设计以及外观高品质的要求。目前，其开发应用潜力巨大，应用范围广泛。包括结构件，如前端支架、保险杠骨架、座椅骨架、地板等，主要使用高强 SMC、GMT、LFT 等材料；还有功能件，像发动机气门罩盖、进气歧管、油底壳、空滤器盖、齿轮室盖、导风罩、进气管护板、风扇叶片、风扇导风圈、加热器盖板、水箱部件、出水口外壳、水泵涡轮、发动机隔音板等，其主要特点是需要耐高温、耐油腐蚀，主要以发动机及发动机周边部件为主，主要工艺材料有 SMC／BMC、RTM、GMT 及玻璃纤维增强尼龙等。表2 为树脂基复合材料在车身相关部件上的应用[6]。

结语

目前树脂基塑料作为重要的汽车轻量化材料已大量应用于汽车工业中。其应用范围在不断拓展，从汽车内装饰件、覆盖件逐渐向外装件、结构件方向发展。热塑性复合材料性能优异，废料可回收利用且不污染环境，因此成为车用树脂基复合材料的重要发展方向[8]。但因受研究与开发水平的限制，以及成型工艺和部件结构开发的限制，树脂基材料在整车中的比重有待提升。树脂基材料在汽车上的应用，对汽车轻量化的贡献仅迈出了艰难的一步，后续的路程漫长且遥远，任务也很艰巨。塑料因其特性受限，其本身强度不如金属材料。一般而言，车用部件塑料化会导致零件壁厚增加以及结构变复杂。所以，未来汽车轻量化与塑料化的主要攻坚方向是开发出既便宜又高强度的塑料。

参考文献

王清国指出了商用车塑料材料的应用概况以及发展趋势。此内容发表于《新材料产业》2007 年第 9 期。

张林文在 2007 年第 9 期的《新材料产业》杂志中阐述了树脂基复合材料在汽车工业中的应用进展。

[ 3 ]材料加工技术创新与汽车轻量化.

马翠英和黄晖进行了关于树脂基复合材料在汽车工业中应用的研究，该研究成果发表在《汽车技术》2005 年第 9 期。

李龙对树脂基复合材料的研究进展进行了阐述[J]。该成果发表于《玻璃钢/复合材料》1999 年第 5 期，其内容涵盖 37 至 38 页。

李尹熙编写了《汽车用非金属材料》这本书。这本书的出版地点是北京，由北京理工大学出版社出版，出版时间是 1999 年。

翁容祝和颖丹指出，树脂基复合材料在欧美机车汽车制造业得到了应用。该研究成果发表在《汽车科技》2001 年第 3 期，页码为 14 至 16 页。

程振彪。汽车上应用了轻质材料。[J]。见于《世界汽车》，2000 年第 4 期。