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汽車(chē)非金屬材料如何助陣中國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)變革？

近年來(lái)，我國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大，作為全球最大的汽車(chē)消費市場(chǎng)，2016年汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)突破2800萬(wàn)輛，連續8年位居全球第一。隨著(zhù)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量的增長(cháng)，以及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，中國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)站在了轉型升級的關(guān)口。按照“中國制造2025”以及《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(cháng)期發(fā)展規劃》的要求，既要加大力度推進(jìn)新能源汽車(chē)的發(fā)展，也要做好傳統內燃機汽車(chē)的節能減排工作，并將電子信息技術(shù)廣泛應用在汽車(chē)上，以信息化手段促進(jìn)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展。另外備受矚目的《乘用車(chē)企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車(chē)積分并行管理辦法》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙積分”)政策已經(jīng)于今年9月底正式公布，該政策將于2018年4 月 1 日正式實(shí)行。在雙積分政策背景下，中外車(chē)企大力發(fā)展節能與新能源汽車(chē)已經(jīng)是大勢所趨，而汽車(chē)非金屬材料在這一過(guò)程中扮演著(zhù)十分重要的角色。
為促進(jìn)我國汽車(chē)非金屬材料及制品技術(shù)水平的提高，中國汽車(chē)工程學(xué)會(huì )汽車(chē)非金屬材料分會(huì )于11月28日-30日在哈爾濱舉辦了以“輕量化、功能化、環(huán)保化”為主題的年會(huì )，以促進(jìn)行業(yè)經(jīng)驗分享、開(kāi)闊科技人員技術(shù)視野、增強自主創(chuàng )新意識和技術(shù)積累。
“以塑代鋼”的輕量化之路
中國制造2025明確提出，到2020年，乘用車(chē)(含新能源乘用車(chē))新車(chē)整體油耗降至5升/100公里，2025年，降至4升/100公里左右。到2020年，商用車(chē)新車(chē)油耗接近國際先進(jìn)水平，到2025年，達到國際先進(jìn)水平。而據國際研究機構實(shí)驗表明，如果汽車(chē)整車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高6%至8%;汽車(chē)整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3至0.6升。因此，在保證汽車(chē)的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車(chē)的整備質(zhì)量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗成為各車(chē)企的發(fā)展潮流。
在汽車(chē)非金屬材料分會(huì )第七屆年會(huì )上，中國一汽新能源開(kāi)發(fā)院材料與輕量化所處長(cháng)鄭虹指出：“目前中國汽車(chē)行業(yè)成為全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中的重要力量，汽車(chē)強國的夢(mèng)想正在逐漸變成現實(shí)，為了推進(jìn)汽車(chē)行業(yè)的綠色發(fā)展，國家出臺了一些列汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，尤其是雙積分政策，必然改變各大汽車(chē)企業(yè)的產(chǎn)品結構，而非金屬材料的開(kāi)發(fā)和應用，具有極大的輕量化優(yōu)勢，既能緩解汽車(chē)企業(yè)在這兩方面的壓力，又能給非金屬行業(yè)提供更多的機遇，必將促使行業(yè)創(chuàng )新技術(shù)，開(kāi)創(chuàng )汽車(chē)產(chǎn)業(yè)快速轉型升級、推動(dòng)自主品牌全面振興。”
近年來(lái)汽車(chē)輕量化成為降低汽車(chē)排放、提高燃燒效率的有效措施，也是汽車(chē)材料發(fā)展的主要方向，汽車(chē)非金屬材料的用量也隨之上升，其中塑料和彈性體在車(chē)身輕量化方面具有舉足輕重的作用。
在車(chē)用塑料市場(chǎng)方面，無(wú)論是外裝飾件、內裝飾件，塑料用量都在不斷地增加。并且隨著(zhù)工程塑料硬度、強度、拉伸性能的不斷提高，塑料車(chē)窗、車(chē)門(mén)、骨架甚至更多的汽車(chē)關(guān)鍵性部件都在采用塑料，因此以塑代鋼是汽車(chē)輕量化重要的發(fā)展趨勢之一。
按地域劃分，車(chē)用塑料制品在汽車(chē)領(lǐng)域的應用主要分布在美國、西歐、日本和中國;按塑料制品類(lèi)型劃分，在汽車(chē)上應用最多的是工程塑料和通用塑料，其中聚丙烯(PP)制品在各大地域的應用是最廣泛的;聚氨酯(PU)作為發(fā)泡材料在汽車(chē)行業(yè)中的應用也十分廣泛，根據IHS Markit 數據顯示，聚氨酯在各個(gè)國家汽車(chē)材料中占兩成左右，汽車(chē)內飾上聚氨酯用量非常之大。IHS Markit化工部副總監徐徐認為：“聚氨酯泡沫消費量按地區分布的話(huà)，中國無(wú)疑是最大的市場(chǎng)，個(gè)人認為，聚氨酯材料是汽車(chē)用非金屬材料中受市場(chǎng)波動(dòng)影響最小的，預測未來(lái)幾年內，聚氨酯材料在汽車(chē)用量當中還會(huì )正增長(cháng)。”
彈性體在汽車(chē)領(lǐng)域可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是輪胎應用還有一類(lèi)是非輪胎的應用。汽車(chē)輪胎市場(chǎng)是橡膠最大的終端市場(chǎng)，基本上有70%的橡膠用于了輪胎市場(chǎng)。中國在天然橡膠和合成橡膠市場(chǎng)都占據最大比例，因此，中國是全球最大的橡膠市場(chǎng)，這也是受我國最近幾年汽車(chē)產(chǎn)業(yè)和輪胎產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的影響。我國的天然橡膠與合成橡膠的消費量巨大，但是自給能力呈現截然相反的狀態(tài)。
在非輪胎應用領(lǐng)域，三元乙丙橡膠(EPDM)和熱塑性聚烯烴彈性體(TPO)有著(zhù)廣闊地應用。數據顯示，2001年至2015年，全球乙丙橡膠產(chǎn)量和汽車(chē)產(chǎn)量走勢基本平行，某種程度上，EPDM的生產(chǎn)狀態(tài)也可以反映整個(gè)汽車(chē)市場(chǎng)的狀態(tài)。但是我國的EPDM產(chǎn)能相對較低，依賴(lài)于進(jìn)口。
隨著(zhù)“以塑代鋼”輕量化思路的深度應用，介于橡膠和塑料之間的熱塑性彈性體(TPE)的研發(fā)與應用也越來(lái)越成熟、越來(lái)越廣泛。2016年全球熱塑性彈性體消費量，已經(jīng)達到了600萬(wàn)噸，TPE的發(fā)展與汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有很大關(guān)系，因為T(mén)PE的總消費量分布中，有43-44%是用于汽車(chē)行業(yè)。其中廣泛應用于密封條和導槽的TPV 產(chǎn)品在未來(lái)市場(chǎng)具有挖掘的潛力。
總而言之，汽車(chē)輕量化是全球汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展的必由之路，據高盛集團預測，到2025年，整車(chē)制造企業(yè)(OEMs)生產(chǎn)的每輛車(chē)將減重約200公斤以滿(mǎn)足相應需求。在眾多的輕質(zhì)化材料中，橡塑材料作為非金屬材料，在汽車(chē)輕量化中將起到越來(lái)越重要的作用。
安全環(huán)保與輕量化不可偏廢其一
2014年，全球交通運輸業(yè)的碳排放量占到了29%，是僅次于重工業(yè)的能源企業(yè)，說(shuō)明汽車(chē)工業(yè)在碳排放比例中占到了相當大的比例，而汽車(chē)非金屬材料作為輕量化的有效手段被越來(lái)越普遍地應用。與此同時(shí)，汽車(chē)非金屬材料的蓬勃發(fā)展，也要重視一些問(wèn)題。
隨著(zhù)消費者對車(chē)內氣味VOC的要求不斷提高，車(chē)內空氣質(zhì)量強標的推進(jìn)，內飾件VOC管控成為各主機廠(chǎng)、內飾件產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰。
在汽車(chē)VOC這一塊，隨著(zhù)國家強標的修訂工作的持續進(jìn)行，以及車(chē)內空氣質(zhì)量首次納入了國六的管理，對于整車(chē)企業(yè)來(lái)說(shuō)，控制整車(chē)企業(yè)的VOC符合法律標準的壓力越來(lái)越急迫。車(chē)內氣味是各大主機廠(chǎng)最為關(guān)心的一塊領(lǐng)域，無(wú)論是第三方研究機構發(fā)布的研究報告還是消費者的投訴情況來(lái)看，車(chē)內氣味作為消費者對于車(chē)型主觀(guān)化的一個(gè)評價(jià)，對于車(chē)企來(lái)說(shuō)，如何改善車(chē)內空氣質(zhì)量也是非常重要的。
中國汽車(chē)技術(shù)研究中心數據資源中心王雷認為：“在汽車(chē)研發(fā)階段是不會(huì )出現問(wèn)題的，它出現問(wèn)題是在量產(chǎn)過(guò)程中某一批次的產(chǎn)品，因為工料的問(wèn)題造車(chē)了車(chē)內氣味讓消費者不舒服。”
汽車(chē)零部件和車(chē)內裝飾材料中所含有害物質(zhì)的釋放，包括汽車(chē)使用的塑料和橡膠部件、織物、油漆涂料、保溫材料、粘合劑等有可能會(huì )造成VOC的超標。這些材料中的揮發(fā)性物質(zhì)可以在汽車(chē)使用過(guò)程中不斷釋放，持續幾個(gè)月甚至幾年。有研究表明，按照新國標要求的限值，整車(chē)VOC超標主要集中表現為乙苯、二甲苯超標，其中密封條、天窗、門(mén)鎖、座椅、頂襯、工藝膠對整車(chē)VOC含量有很大“貢獻”，因此這些部件也是整車(chē)VOC控制的重點(diǎn)零部件。
王雷介紹：“對于企業(yè)來(lái)說(shuō)要做到整車(chē)VOC的一個(gè)管控，不管是VOC還是氣味我們會(huì )把目標分解到主要的二三十種內飾的零件，再逐級分解到初始的原材料，就是我們的車(chē)內非金屬材料，對于大多數整車(chē)企業(yè)來(lái)說(shuō)，管控體系已經(jīng)基本建立完備了，采取逐級篩選，縱向管控的方式，整車(chē)企業(yè)達到VOC國家標準的壓力并不是很大，企業(yè)的重心放在怎么在國家標準的基礎上，更進(jìn)一步的提升整車(chē)的VOC性能。”
另一方面，在整車(chē)VOC的控制中，對原材料的優(yōu)化是根本措施，但同時(shí)除原材料本身的配方對VOC的影響較大外，零件的成型工藝和后處理工藝也會(huì )影響零部件的揮發(fā)物含量，因此VOC的控制從原材料的合成、改性、加工、零件的制作、裝配、存儲、運輸，零件在整車(chē)上的裝配，設計制造全環(huán)節都會(huì )影響到整車(chē)的VOC。VOC的整改需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的變革和管控力度的加強來(lái)支持。
除此之外，建立統一的材料檢測標準以及明確的評價(jià)指標也不可缺少。
生物材料與3D打印技術(shù)前景廣闊
在汽車(chē)環(huán)保與輕量化的目標之下，對于新材料和新工藝的開(kāi)發(fā)越來(lái)越得到企業(yè)的重視。而生物材料和3D打印技術(shù)的進(jìn)步給汽車(chē)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更光明的前景。
在生物材料方面，采用聚乳酸PLA+PC、大豆發(fā)泡聚氨酯等生物材料，是公認的環(huán)保型友好材料，這樣可以盡量降低二氧化碳的排放，降低汽車(chē)車(chē)內的空氣污染。創(chuàng )辦于1985年的鑫達集團，已經(jīng)成功將生物基材料應用于輕量化，鑫達集團董事總經(jīng)理代汝軍介紹說(shuō)：“生物基材料將玉米、甘蔗等作為淀粉的來(lái)源合成聚乳酸，作為可降解的材料分解成水和二氧化碳。另外植物纖維的應用也可以降本減重，比如稻殼兒、秸稈都可以磨成粉添加到材料中，不僅達到輕量化的要求，還可以降低成本。”
鑫達除研發(fā)生物材料外，還聚焦3D打印技術(shù)的開(kāi)發(fā)。3D打印技術(shù)源于上世紀七十年代的美國，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘和材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構造物體的新型成型技術(shù)。3D打印技術(shù)相較于傳統技術(shù)，具有多樣化、節省材料、制造技能簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是具有顛覆性的技術(shù)。
全球3D打印市場(chǎng)在2013年的市值是23億美元，有望在2020年達到86億美元，其復合年均增長(cháng)率(CAGR)為20.6%，同時(shí)，醫療、航空、汽車(chē)、教育等領(lǐng)域將成為3D打印市場(chǎng)的最大增長(cháng)點(diǎn)。據了解，到2022年全球醫療3D打印市場(chǎng)規模將達到38.9億美元(約合人民幣260億人民幣)。市場(chǎng)研究公司Allied Market Research通過(guò)一份報告給出了預測，未來(lái)5年，汽車(chē)3D打印市場(chǎng)將以21.8%的復合年均增長(cháng)率快速發(fā)展，最終到2022年全球規模達23.9億美元。
代汝軍談到3D打印技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的應用時(shí)說(shuō)道：“一輛車(chē)從規劃設計、定型生產(chǎn)、中期改款到最終下線(xiàn)，過(guò)程中需要經(jīng)歷多次修改、驗證，在此期間需要進(jìn)行制造許多樣件，傳統方法采用快速成型技術(shù)，耗時(shí)高、成本高，而利用3D打印技術(shù)可有效降低成本，縮短研發(fā)周期。”
在整車(chē)設計環(huán)節，與3D打印技術(shù)結合的案例有東風(fēng)公司采用3D打印技術(shù)打印整套汽車(chē)內飾，裝配在樣車(chē)上供專(zhuān)業(yè)人員對外觀(guān)進(jìn)行評審，也開(kāi)放到車(chē)展上供觀(guān)眾參觀(guān)并收集觀(guān)眾意見(jiàn)，以用于后期的設計優(yōu)化參考。吉利汽車(chē)采用3D打印技術(shù)制作了空調HVAC總成和風(fēng)道總成，綜合測試空調系統的風(fēng)量大小、風(fēng)量非配的合理性、除霜風(fēng)口出風(fēng)方向風(fēng)速的準確性。3D打印技術(shù)除了在設計階段、樣件的制造外，可以直接生產(chǎn)車(chē)用的外飾件、內飾件、功能件等，比如標致Fractal概念車(chē)在車(chē)內飾上使用了大量的3D打印的零部件……
作為專(zhuān)業(yè)從事高分子復合材料研發(fā)生產(chǎn)銷(xiāo)售的企業(yè)，鑫達的產(chǎn)業(yè)規劃是打造中國汽車(chē)用高分子復合材料產(chǎn)銷(xiāo)第一;另外在創(chuàng )新生物可降解材料方面打造從丙交酯、聚乳酸到復合乳酸產(chǎn)業(yè)鏈最全，中國行業(yè)內產(chǎn)銷(xiāo)第一;而且要達到創(chuàng )新高分子材料3D打印耗材品種最全，國內行業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)量第一。

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