以塑代鋼技術(shù) 推進汽車輕量化

1953年，世界上第一部FRP（玻璃鋼）汽車在GM Corvette誕生，標(biāo)志著聚合物基復(fù)合材料成為汽車工業(yè)的一支生力軍

2014年，寶馬推出純電動車型寶馬i3，使用了200-300千克來自巴斯夫的碳纖維復(fù)合材料，整體重量較之前的設(shè)計減輕了250-350 kg

2016年，帝斯曼推出新型聚酰胺產(chǎn)品ForTii® Ace，用以替代金屬壓鑄件及昂貴的高性能熱塑性工程塑料

2017年，奇瑞eQ1采用沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司（SABIC）的工程聚烯烴材料，其電動汽車尾門板內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重量減輕了40%

輕量化，毋庸置疑已成為當(dāng)今新車研發(fā)的焦點，要達(dá)到輕量化目標(biāo)，除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計之外，大多圍繞在材料的選取上，其中以塑代鋼是大趨勢。

一 . 汽車輕量化簡介

汽車的輕量化，指的就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。

汽車的輕量化對節(jié)能減排影響很大，對傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車來說，自重每降低10%,可節(jié)油5%，油耗減少的同時尾氣排放量也減少，最終也減少了對環(huán)境的污染。新能源汽車對輕量化的要求更為迫切，有研究表明純電動汽車整車重量降低10kg，續(xù)駛里程可以增加2.5km。



汽車輕量化實現(xiàn)路徑

汽車輕量化包含結(jié)構(gòu)輕量化、材料輕量化、制造工藝輕量化等手段。其中，材料輕量化由于直接通過新材料的應(yīng)用來減重，其在輕量化中的效果非常明顯，該方法在輕量化中占有舉足輕重的地位。

二．輕量化材料

在材料輕量化領(lǐng)域，可以采用輕金屬、高強度鋼、塑料件代替金屬件（以塑代鋼）等形式來達(dá)到輕量化的目的。主流輕量化材料發(fā)展?fàn)顩r如下圖：



主流輕量化材料所處生命周期

塑料件密度低，一般塑料的比重在0.9-1.5之間，纖維增強復(fù)合材料的比重也不會超過2.0，而金屬材料的比重，A3鋼為7.6，黃銅為8.4，鋁為2.7。這就使得塑料材料成為汽車輕量化的首選用材。在眾多減重方案中，“以塑代鋼”正處于快速成長期，發(fā)展?jié)摿薮?、?yōu)勢明顯。




圖片來源于：Plastic Mouldings Lt

以塑代鋼技術(shù)，主要是使用PP（聚丙烯）、PC（聚碳酸酯）及ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）等工程塑料，替代傳統(tǒng)鋼材，作為車身零部件，使得整車的重量降低至原重量的1/4-1/8，實現(xiàn)汽車輕量化，并減少汽車燃料消耗。

三 . 國內(nèi)外汽車以塑代鋼現(xiàn)狀

汽車輕量化的發(fā)展，使包括聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、熱固性復(fù)合材料、ABS、尼龍和聚乙烯等在內(nèi)的塑材市場得以迅速放大。近兩年，車用塑料的最大品種--聚丙烯，每年以2.2%—2.8%的速度加快增長。預(yù)計到2020年，發(fā)達(dá)國家汽車平均用塑料量將達(dá)到500千克/輛以上。

相比全球40%的改性塑料用于汽車行業(yè)，中國僅10%左右，國內(nèi)汽車以塑代鋼輕量化還有巨大的發(fā)展空間。衡量一個國家塑料工業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)——塑鋼比，我國僅為30∶70，不及世界平均的50∶50，更遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國家如美國的70:30和德國的63∶37。




中國塑鋼比遠(yuǎn)低于其它國家

由于全球汽車產(chǎn)量增速穩(wěn)定，再加上汽車輕量化需求增加使得單車塑料用料不斷增加，預(yù)計2018年全球車用塑料市場將由2012年的216.16億美元增至461.12億美元，消費量預(yù)計將從2012年的710萬噸增至2018年的1130萬噸。




資料來源：Wind

全球汽車產(chǎn)量

全球轎車產(chǎn)量增加以及汽車輕量化趨勢正推動車用塑料需求不斷的增長。車用塑料廣泛應(yīng)用于內(nèi)飾、外飾、汽車引擎蓋等其他部件，有助于減輕整體車重，并起到控制振動和噪聲、車身保溫等功能。據(jù)估計，未來十年，汽車的自重還將降低20%，塑料已經(jīng)成為了21世紀(jì)汽車工業(yè)最好的材料選擇。

國內(nèi)汽車產(chǎn)量增速在過去多年中都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全球汽車產(chǎn)量增速，國內(nèi)單車塑料用量卻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美等發(fā)達(dá)國家，發(fā)展空間巨大。另外，中國也是全球最大的新能源汽車市場。由于新能源車需要通過減重來提升續(xù)航，其對輕量化技術(shù)的需求更為迫切，因此國內(nèi)車用塑料的需求增速將高于全球平均水平。據(jù)亞化咨詢，未來5年內(nèi)國內(nèi)汽車改性塑料行業(yè)年復(fù)合增長率將超過26%。



資料來源：Wind
中國汽車產(chǎn)量

四 . 以塑代鋼應(yīng)用情況

目前很多國際大品牌都開始越來越多的使用以塑代鋼技術(shù)。



圖片來源于：華眾車載官網(wǎng)
以塑代鋼在汽車上的應(yīng)用總覽

國外汽車復(fù)合材料的應(yīng)用



塑料在汽車輕量化中的應(yīng)用




五 . 以塑代鋼市場情況



資料來源：《2018年全球車用塑料市值將突破460億美元》

據(jù)《全球汽車輕量化推動發(fā)泡聚丙烯的發(fā)展》，在所有的車用塑料中，聚丙烯所占份額最高達(dá)37%；其次是聚氨酯，占比17.3%；ABS樹脂占12.3%；復(fù)合材料占11.5%；高密度聚乙烯占10.8%；聚碳酯占6.8%；聚甲基丙烯酸甲酯占4.4%。

1）改性塑料



資料來源：工程塑料網(wǎng)



2）聚合物發(fā)泡材料

聚合物發(fā)泡材料具有質(zhì)輕、隔熱、緩沖、防腐、比強度高、價格低廉等優(yōu)點。目前，主要的泡沫塑料有聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)和聚烯烴三大類。

幾種泡沫塑料性能對比



在聚烯烴發(fā)泡塑料中，發(fā)泡聚丙烯因為具有良好的熱穩(wěn)定性(最高使用溫度可達(dá)130℃)，優(yōu)異的耐應(yīng)力開裂性及高溫尺寸穩(wěn)定性，較高的拉伸強度和沖擊強度，以及優(yōu)異的微波適應(yīng)性等特點而成為了應(yīng)用研究的熱點。



發(fā)泡聚丙烯在汽車上的應(yīng)用

3）輕量化材料成型工藝



圖片來源：聚合物基復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J]
LFT-D 成型工藝和GMT 成型工藝的示意圖

與傳統(tǒng)GMT成型工藝相比，LFT-D成型工藝省略了半成品制備步驟，因而大幅度提高生產(chǎn)效率，比傳統(tǒng)工藝成本低20%-50%。與同類材料成形工藝相比，其制品的抗沖擊性能提高大約40%-60%。LFT-D成型工藝包含材料復(fù)合工藝、沖壓模壓工藝、數(shù)控化設(shè)備等關(guān)鍵難點，歐洲已成功應(yīng)用20多年，目前國內(nèi)尚未系統(tǒng)攻克。此項工藝對于滿足汽車等領(lǐng)域?qū)p量化技術(shù)的需求意義重大。

六 . 相關(guān)案例

油管油泵

塑料油管在豐田和本田車型上的應(yīng)用將油管的整體重量降低了70%以上。

歐洲部分廠家已經(jīng)在采用聚醚砜替代金屬鋁控制油泵，這一材料可在-40℃至200℃的溫度之間保持穩(wěn)定的，并且可以將油泵整體成本降低30%，具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價值。

繼電器

汽車?yán)^電器也是以塑代鋼重點關(guān)注的領(lǐng)域，現(xiàn)在對繼電器的要求越來越高，金屬針腳要經(jīng)過一道高溫焊錫制程（SMT），需要利用耐高溫的LCP材料。

頂棚



圖片來源：聚合物基復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J]

上汽采用輕質(zhì)GMT復(fù)合材料制備頂棚內(nèi)飾板，可實現(xiàn)減重20%-30%，綜合成本可降低約20元/件。

車門



圖片來源：公開資料

采用LGF-PP（長玻纖增強聚丙烯）材料制作的福特Fiesta后車門，相比鋼制車門重量減輕50%。

保險杠




圖片來源：公開資料

汽車保險杠是以塑代鋼應(yīng)用的主要部件之一，目前市場上的大部分汽車保險杠都以已用了塑料件。保險杠的面板是PP、PC/ABS、PC/PBT等材料，骨架是木材或者金屬等材料，中間部分是PP發(fā)泡材料等。


發(fā)動機進氣管




圖片來源：http://vw.faw-vw.com/zh/cn.html

金屬壓鑄件



圖片來源：Omnexus(SpecialChem)

目前市場上替代汽車金屬壓鑄件的熱塑性塑料，大多數(shù)應(yīng)用于125℃以上的溫度時，機械性能會大幅度的下降。而由帝斯曼開發(fā)的新型塑料即使在150℃高溫下連續(xù)使用也能夠保持機械性能穩(wěn)定，從而替代金屬壓鑄件。

油箱




圖片來源：公開資料

此前油箱一般用金屬制成，采用塑料件既能滿足汽車技術(shù)要求，又能減重。

七 . 相關(guān)政策

2016年10月，中國汽車工程學(xué)會發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》。路線圖指出，到2020年、2025年、2030年，整車質(zhì)量需比2015年分別減重10%、20%、35%。對于車企來說，汽車輕量化越來越具有現(xiàn)實意義，而毫無疑問，車用塑料的前景也因此愈加明朗化。

另外隨著各國對環(huán)保要求的加強和政策對新能源汽車的支持，新能源汽車的發(fā)展迅速，并且已經(jīng)有多國提出了禁售傳統(tǒng)燃油汽車的時間表。但是，電動汽車的充電時間長而續(xù)航里程又不及燃油車一直是其被人詬病的短板。電動汽車對輕量化需求更迫切！




資料來源：光大證券研究所整理
禁售燃油汽車時間表

八 . 國內(nèi)外廠家



九 . 結(jié)語

隨著世界各國汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的愈加嚴(yán)格以及節(jié)能減排力度的加強，各汽車廠家將會在汽車輕量化領(lǐng)域投入越來越多的精力并加強新型輕量化技術(shù)的運用。汽車塑料的應(yīng)用已由普通裝飾件開始向結(jié)構(gòu)件、功能件方向發(fā)展，而塑料材料也隨著相關(guān)企業(yè)的更深層次的開發(fā)而最終形成更高質(zhì)量、更具成本競爭力以及滿足更多嚴(yán)苛要求的方案。