用于汽车结构件的创新塑料材料

在现代汽车中，塑料约占汽车重量的 15-20%，但其体积可高达 50% ^[1]. .多年来，在汽车制造商推动轻量化的推动下，塑料在汽车行业的应用不断增加。.

汽车轻量化有助于提高燃油经济性。随着向新能源汽车（NEV）的转变，轻量化是消除续航焦虑的关键。预计到 2030 年，轻量化将占汽车重量的 30%。现代汽车的外部和内部结构部件都使用塑料。因此，汽车材料根据其用途分类如下；;

• 用于外部部件的汽车塑料材料： 它们可以起到美观和功能性的作用。由于它们所处的位置，需要具有耐候性（如抗紫外线）、高冲击强度和理想的外观。使用塑料制造的外部部件包括格栅、保险杠、扰流板和门把手。.
• 用于内饰件的塑料： 汽车内饰中使用的塑料还可以起到装饰或功能性作用。预计它们的挥发性有机化合物含量较低，这对室内空气质量至关重要 ^[2]. .塑料汽车内饰材料的其他重要特性还包括舒适性和抗划伤性。例如门板、仪表板、中控台和出风口。.
• 用于汽车结构件的塑料材料： 它们也被称为引擎盖下塑料。它们的主要特性是耐化学性、耐热性和耐磨性强，因为它们要在极端环境中工作。进气歧管和发动机盖就是用塑料制造的发动机罩下部件。.  

汽车外部部件设计和材料的考虑因素

使用汽车注塑成型材料设计汽车外部零件时，必须在运行效率、美观性和长期可行性之间取得平衡。设计师必须考虑标准化、系列化和共用化，以提高质量和降低成本。.

• 标准化： 使用现成的标准部件或坚持使用行业标准尺寸可缩短设计时间并提高兼容性。.
• 序列化： 使用相同的基础设计生产不同尺寸或性能的产品，可以提高规模经济效益。.
• 社区化： 在不同车型中使用相同的部件，如相同的门把手，可降低复杂性，便于维护。.

此外，还必须考虑合理性、先进性、易维护性、可靠性、经济性和可制造性等工程学原则，以确保零件具有成本效益、耐用性和功能性。.

塑料为何用于汽车零部件制造

汽车结构件越来越多地使用塑料材料有几个关键因素。其中，轻量化仍是首要因素。实现轻量化有助于提高汽车的燃油经济性。汽车越轻，行驶所需的能量就越低。其他有利于汽车部件使用塑料的因素包括

• 安全问题： 新型汽车材料的设计能够在撞击中更好地吸收和重新分配能量。例如，与坚硬的保险杠相比，柔软的保险杠材料可降低低冲击碰撞中的受伤风险。.
• 抑制噪音和振动 塑料能吸收振动，有助于抑制噪音。有了塑料，汽车制造商就可以省去使用消音材料所带来的额外重量，从而达到同样的效果。这使得驾驶更加安静舒适。.
• 美观、设计灵活： 利用精密成型技术，塑料可被模塑成复杂的形状。因此，汽车制造商可以灵活地创造出复杂、美观的设计，无需进行昂贵的二次加工。.
• 防风雨： 许多汽车新材料在设计上都提高了抗腐蚀、抗化学品、抗紫外线、抗锈蚀和抗极端温度等性能。这些改进的特性提高了它们在实际应用中的耐用性。.
• 环境影响和可持续性： 汽车行业的重点正在转向可持续发展。由于再生塑料易于回收利用，因此越来越多的汽车部件采用了再生塑料。此外，与金属生产相比，塑料的生产过程通常能耗较低。.

常见汽车外饰部件的材料要求

安全法规、严酷的环境暴露、制造效率和美学要求等综合因素影响着汽车外部零件材料的选择。例如，汽车外部零件会受到紫外线、极端温度和化学物质等环境因素的影响。.

除环境因素外，外部零件还会受到磨损和冲击等机械因素的影响。因此，它们需要使用汽车材料制造，以便在汽车的生命周期内保持形状并承受结构负荷。.

保险杠的材料要求

现代汽车保险杠结构复杂，集成了摄像头和传感器等电子元件。此外，汽车保险杠还需要满足安全法规要求。因此，汽车保险杠材料应兼顾冲击吸收、耐用性、结构强度和成本效益。.

注塑保险杠外壳常用的主要材料是聚丙烯。聚丙烯具有重量轻、柔韧性好、抗冲击和耐化学腐蚀等优点，因此是首选材料。为了提高其刚性和抗冲击性，通常会用填充物或橡胶（如热塑性烯烃 (TPO)）对其进行改性。.

高档或高端汽车的保险杠通常由 PC+ABS 混合材料制成。与纯 PP 相比，这种混合材料具有更高的头部稳定性、韧性和表面质量。建议的表面处理方法因保险杠的材料而异。.

用于车灯的汽车塑料材料

用于汽车照明的汽车注塑材料必须兼具高热稳定性、高光学透明度、耐候性和抗冲击性。现代汽车照明大多采用专用热塑性塑料，以实现设计灵活性和轻量化。.

对各种汽车照明部件的要求各不相同。例如，透镜要求具有高透光率、紫外线稳定性、抗冲击性和耐化学性。车头灯和雾灯的材料必须能承受较高的热负荷（100 °C 至 190 °C）。而车灯则需要具有以下性能的汽车塑料材料 高成型性 用于复杂形状。.

表面处理是汽车照明的重要组成部分。表面处理可以提高塑料部件的性能或寿命。以下是不同汽车照明部件的常见处理方法。.

• 抗紫外线涂层 PC 车头灯必须进行这种处理，以防止因日晒而退化。.
• 防刮涂层 硬质涂层用于 PC，以增强其抗路面碎片和水洗造成的划痕的能力。.
• 真空金属化： 这种处理方法适用于反光板，使其反光。.
• 疏水涂层 防雾涂层可防水，提高潮湿环境下的能见度。.

汽车格栅材料要求

格栅既美观又实用。因此，用于生产格栅的汽车塑料材料必须兼顾耐用性和美观性。因为格栅经常暴露在恶劣的环境条件、路面碎片和发动机热量中。.

汽车格栅材料应具备的其他品质还包括尺寸稳定性、良好的表面光洁度、抗紫外线和轻质。最常见的格栅材料是 ABS。这种材料具有抗冲击性强、硬度高、易于塑造复杂形状等优点。.

丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯（ASA）是 ABS 的理想替代品。黑色纹理格栅大多采用 PP 材料，因为这种材料成本低，耐温高达 130 °C。常用的表面处理方法包括电镀、喷漆、紫外线涂层、纹理处理和等离子处理。具体的表面处理方法取决于材料和制造商想要达到的效果。.

用于轮壳衬垫的汽车材料

防溅罩或挡泥板内衬旨在保护发动机、车身和结构件免受碎片和湿气的侵袭。它们承受着严重的环境压力和路面碎片的持续磨损。.

用于轮毂罩衬里的汽车注塑成型材料预计将具有较高的抗冲击性和耐腐蚀性、温度稳定性、耐化学性和耐用性，并有助于降低噪音。.

对用于轮毂罩衬里的汽车塑料材料进行表面处理是为了防止、增强或修复它们。.

• 紫外线稳定涂层 防止因长期日晒而开裂、褪色和变脆。.
• 疏水性涂层 用于使暗淡的塑料恢复活力。.
• 粘合剂涂层： 主要用于毛毡的后侧，以确保毛毡与车轮罩紧密贴合，防止出现缝隙。.

用于车轮罩的汽车材料

车轮罩经常暴露在路面碎片以及高温、路盐和阳光紫外线等环境因素中。因此，用于车轮罩的汽车塑料材料必须非常耐用、耐冲击和耐腐蚀。.

常用的材料是 ABS。这种材料成本低、重量轻、耐腐蚀性强。聚碳酸酯因其卓越的抗冲击性，最适合恶劣的天气条件或越野应用。.

用于散热器格栅的汽车塑料材料

散热器格栅具有双重作用，既能保护散热器，又能进气冷却发动机。ABS 和碳纤维是散热器格栅的两种推荐材料。它们重量轻，耐环境压力。.

ABS 散热器格栅通常要经过镀铬处理，以提高其美观度和光泽度。紫外线抑制剂涂层是另一种常见的处理方法，可防止因紫外线照射而开裂、变黄和退化。.

牌照的材料推荐和抛光

车牌的设计必须符合严格的工程和法律标准，包括符合自动交通摄像头的要求。这包括确保车牌具有夜间可视性、可读性和耐用性。车牌必须符合车灯可见度的逆反射系数标准（ASTM E-810）。 ^[3].

聚碳酸酯的强度是玻璃的 250 倍，是适用于恶劣环境的推荐汽车塑料材料。亚克力因其光泽度高、色彩鲜艳而常用于定制或展示车牌。不过，它的耐用性不如聚碳酸酯。PC 汽车牌照材料常见的表面处理包括

• 透明保护涂层： 透明的耐候性面漆，可防止变黄或褪色。.
• 烫印箔 用于给压印字符着色，使其更清晰易读。.
• 紫外线稳定涂层 防止因紫外线照射而变黄。.

车门踏板汽车材料推荐与处理

它们是门框下方的重要水平部件。此外，它们还支持结构的完整性，并防止水和空气的渗入。此外，它们还能承受沉重的脚步声。因此，理想的材料应具有防潮和防腐性能。.

由木纤维和塑料组成的复合材料具有防腐性，非常适合高湿度地区使用。粉末涂层是一种常用的处理方法，通常用于制作颜色定制的饰面，可防止褪色和划痕。还可以进行纹理或开槽处理，以提高安全性。.

汽车侧模材料推荐与处理

与其他外部部件一样，车身侧模的材料必须能够抵御外界环境、化学物质和冲击，并具有良好的粘合兼容性。ABS 是最常见的选择。不过，聚氨酯（PU）、热塑性聚烯烃（TPO）和聚丙烯（PP）也被广泛应用于高冲击区，可获得出色的哑光黑色表面效果，并具有成本效益。. 

根据材料的不同，处理方法可包括镀铬、紫外线稳定喷漆和透明涂层。例如，ABS 通常采用镀铬处理，以提供高光奢华的外观。.

常见汽车内饰件的材料要求

在为汽车结构件选择内饰材料时，舒适性和安全性通常是首要考虑因素。例如，材料必须符合低挥发性化合物排放标准（FMVSS 302）并具有阻燃性能 ^[4]. .它们还需要有良好的表面光洁度，以提高机舱舒适度。.

常用的汽车内饰件注塑材料包括 PP、ABS、PC+ABS 混合物、TPE、聚氯乙烯和聚氨酯。每种材料都有其优缺点，从而影响其使用。.

仪表板材料建议和处理

仪表板必须具有较高的结构完整性，符合安全规定，并且美观大方。豪华车的现代仪表板通常采用软触感结构。在经济型车型中，通常采用硬质注塑结构。.

合适的材料应具有良好的热稳定性、支撑安全气囊等重型部件的机械强度、冲击吸收能力以及美观性。常用的汽车硬质面板塑料材料是 PP+Talc/EPDM。这种材料成本效益高，刚性出色。其他可选材料包括强度更高的 PC/ABS，以及具有刚性结构完整性的长玻璃纤维增强聚丙烯。.

柔软触感表面通常使用以下一种覆盖材料：PVC、TPO 或 PU。等离子处理通常用于使塑料可涂漆或粘合。通常会涂上紫外线保护清漆，以防止表层的紫外线降解和褪色。使用聚丙烯制造的仪表板可能需要防静电涂层，以减少吸附灰尘。.

用于门板和柱饰的汽车材料

门板基材或芯材可由增强聚丙烯制成，因为它具有成本低、密度小和成型性强等有利特性。ABS 和天然纤维复合材料 (NFC) 也可用于减轻重量。蜂窝基塑料是一种新型汽车材料，因其高硬度重量比和更好的声学特性而备受关注。.

支柱饰条大多由汽车注塑材料、ABS、PC+ABS 和 PP 制成。装饰条后面的吸能结构通常由聚氨酯泡沫制成。.

软质触感涂层是对较硬塑料最常见的处理方法，可使其手感柔软，提高内饰的豪华感。装饰镶嵌则用于柱饰，使其具有拉丝铝或碳纤维的外观。.

内部把手材料建议和处理

内部把手必须兼顾功能性、耐用性和美观性。它通常使用能经受高频率日常使用而又不失表面质量和结构完整性的材料制成。ABS 、PC+ABS、玻璃纤维增强 PP、PMMA 和 TPO 是制作内部把手的常用材料。处理方法包括

• 电镀： 具有高度耐磨的金属反光效果
• 绘画 对 ABS 或 PC+ABS 材料进行喷漆，以达到特定的质感。.
• 涂层： 在硬质外壳上覆盖一层特殊的、柔韧的橡胶涂层，给人以高端的感觉。.
• 等离子表面处理 用于增强印刷或喷漆的表面附着力。.

用于方向盘和处理的汽车材料

 现代汽车的方向盘非常复杂，要兼顾美观、安全、耐用和人体工学。方向盘的材料要求非常严格。理想情况下，方向盘应具有坚固、轻质的金属骨架，周围有柔软的塑料衬垫，最后再加上耐用的覆盖物。.

次表面汽车注塑成型材料是聚氨酯泡沫。它具有耐用的手感，而且很容易根据特定的质地、密度和颜色进行定制。模内涂层是对聚氨酯泡沫的主要处理方法，可产生均匀的哑光表面。它还消除了喷漆的需要。.

推荐的中控台扶手材料和处理方法

这种汽车零部件是内饰美学、舒适性和人体工程学之间的桥梁。它们要承受长期的物理接触。因此，合适的材料必须具备的一个重要特性就是耐用性和耐磨性。它们还必须耐油和耐污。.

建议使用 ABS 塑料作为结构底座的汽车材料。衬垫可以用发泡聚丙烯或记忆泡沫制成，以增强压力分布。外罩由聚氨酯皮革或超细纤维皮革制成。以获得柔软优质的外观和触感。.

如果使用合成皮革，则必须涂上抗紫外线涂层，以防止开裂或褪色。纳米陶瓷涂层通常用于皮革，以形成疏水性防污层。这可以保持皮革的柔软性，并让液体滚落。.

常见汽车功能部件的材料要求

这些都是保证汽车安全运行的重要机械和电子元件。使用汽车塑料材料制造的主要功能性非外观部件包括进气歧管、手套箱和发动机盖。.

推荐的进气歧管材料和处理方法

进气歧管是将空气或空气-燃料混合物分配到气缸的重要发动机部件。由于工作温度高达 150 °C，因此合适的汽车材料必须具有出色的热稳定性和较高的机械强度。.

现代汽车使用聚酰胺 66 等玻璃纤维增强塑料。它具有导热率低、重量轻、可模压成复杂的流道形状以获得最佳气流以及出色的耐腐蚀性等优点。.

进气歧管的处理包括将流道抛光至光滑（400-1,000 粗细度），以提高气流速度。湿歧管保留轻微纹理（400-600 粗细度），以防止燃料在管壁上积聚。外部涂有涂层，以提高耐用性和耐热性。.

汽车手套箱材料要求

手套箱为敏感材料提供安全存放空间。选择手套箱材料时的主要考虑因素是低气体渗透性和耐化学性。表面处理必须与仪表板的颜色和纹理相匹配。.

生产手套箱常用的汽车塑料材料是 PP+EPDM。选择这种材料通常受到低成本、低密度和高成型性的影响。铰链、枢轴销和闩锁等活动部件通常使用 POM。选择这种材料是因为它具有出色的耐磨性和抗蠕变性。.

模内纹理通常用于在产品上形成纹理。另一种常用的处理方法是在外门板上进行软触感喷漆，以减少眩光。喷漆也可用于实现特定的美学要求。可对表面能量进行等离子处理，使油漆具有适当的附着力。.

发动机罩的推荐汽车材料

它们被称为顶盖、护罩或发动机美容盖。它们兼具美观和功能性。发动机罩下的环境极端恶劣，需要一种能在这种环境下正常工作而不变形的材料。材料必须符合有关易燃性的安全规定（如 SAE J369）。.

用玻璃纤维增强的 PA66 是主要的汽车材料，因为它具有出色的耐热性和高尺寸稳定性。经济型或大众车型可能会使用 PP，以提高成本效益。PU 通常用于硬质热塑性塑料覆盖层的背面，以达到隔音和隔热的效果。.

表面处理的目的要么是为了提高发动机舱的美观度，要么是为了保护材料不受环境因素的影响。可以使用不含硅的水性敷料来保护或恢复塑料表面 “焕然一新 ”的光洁度，或防止褪色。.

内燃机车与新能源汽车的重大区别

轻量化是新能源汽车（NEV）的一个重要概念。例如，电池电动汽车用大型锂离子电池组和电动马达取代了沉重的铸铁内燃机（ICE）。.

为了增加电池组一次充电的续航里程，新能源汽车大量使用碳纤维、复合材料和铝等轻质材料，以减轻车重。内燃机（ICE）与 NEV 在材料上的主要区别包括

1. 动力系统： 内燃机使用钢或铁的发动机缸体。相比之下，电动汽车使用电动机和铜线。由于活动部件较少，电动汽车的动力系统更为紧凑。.
2. 结构材料 为了减轻电池组的重量，电动汽车通常使用复合材料、铝或镁合金作为结构部件。.
3. 热管理： 内燃机车使用散热器进行热管理。电动汽车通常使用专门的塑料成型部件来构建电池风冷系统。.

汽车行业的新材料和发展趋势

新的汽车材料不断涌现，它们要么能驱动下一代 NEV，要么能提高 NEV 的运行效率。例如，研究人员正在研究使用不同的储氢合金（如 TiFe 和 LaNi）来储存和释放氢燃料，以驱动 NEV。一些创新的汽车塑料材料正在研发中，它们将决定汽车行业未来的发展趋势。.

• 导电塑料 它是在 20 世纪 70 年代的一次实验错误中被发现的。进一步的研究表明，在乙炔聚合过程中加入碘后，聚乙炔的导电性能提高了 3000 万倍。这种新材料已被用于制造发光二极管，并在传感器中发挥了重要作用。它将被证明可用于自动驾驶汽车的传感器。.
• 用于工业应用的新型聚合物： PHT 是珍妮特-加西亚（Jeannette Garcia）意外研制出的一种新型塑料。这种塑料聚合物比骨头还硬，但重量与普通塑料几乎相同。它可以 100% 循环使用。未来，它可能被用于减轻 NEV 的重量，以提高能源效率。.
• 聚四氟乙烯： 化学家 Roy Plunkett 于 1938 年发现了这种材料。科学家们继续致力于开发具有耐温和耐腐蚀性能的聚四氟乙烯不粘涂层。未来，聚四氟乙烯在汽车密封件方面的应用可能会有所改善。.

人们既希望通过轻量化提高能效，又希望汽车工业更加环保，这激发了对新材料的研究。更多的非功能性金属部件可能会继续让位于工程塑料。.

参考资料

[1] Ortego, A., Russo, S., Iglesias-Émbil, M., Valero, A., & Magdalena, R. (2023). 汽车塑料部件的能耗评估. 车辆，5(3), 1211-1226. https://doi.org/10.3390/vehicles5030067

[2] 美国环境保护局。(2024 年 3 月 14 日）。. 什么是挥发性有机化合物（VOC）？ 美国环境保护署。. https://www.epa.gov/indoor-air-quality-iaq/what-are-volatile-organic-compounds-vocs

[3] ASTM International.(2020). E0810-20：法证油漆分析和比较标准指南. .ASTM 国际。. https://www.astm.org/e0810-20.html

[4] Aeroblaze 实验室。(n.d.). 内饰材料的易燃性 - FMVSS 302. .Aeroblaze 实验室. https://www.aeroblazelab.com/tests/flammability-interior-materials-fmvss-302