塑料在汽车上的应用——轻量化与汽车塑料的发展

郑垲

一、轻量化对汽车发展和节能减排具有重大意义 为了应对迫切的全球气候变暖和能源危机，节能减排—已经成为全球汽车企业的集体课题。我国汽车产销规模已居世界首位，预计在未来仍将持续增长。汽车是石油第一大用户，全球几乎 45%的石油是用于交通运输。 2011年，中国每辆汽车平均消耗汽油或柴油 2.15

吨 /年，高于欧盟的 1.5吨，日本的 1.1吨。我国汽车平均百公里油耗远远高于国外，在诸多影响因素中，汽车轻量化效果低于国外，是最直接和最主要的原因之一。

目前在欧美汽车企业制造的产品，整车重量同过去相比减轻了 20%-26%，预计未来 10年内，轿车平均重量还将继续减轻 20%。特别是铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料和高强度钢、超高强度钢等轻量化材料的开发与应用，在汽车轻量化过程中将被广泛采用。在新能源路线迟迟不清晰的形势下，轻量化已经成为全球主流汽车企业的主要折中路线。

汽车轻量化主要采取材料轻量化与结构轻量化相结合的方式，而汽车零部件的各种先进成型技术也是轻量化的核心内容之一。汽车轻量化实际上是汽车性能提高、重量降低、结构优化、价格合理四方面相结合的一个系统工程。

轻量化主要体现在三个方面： 1、汽车优化设计，可为减重 10-15% ； 2、合金材料的应用，可减重 30-40%但铝合金、高强钢都需要进口； 3、非金属复合材料的应用，可减重 45-55%。归纳起来就是，在轻量化与材料特性、工艺性、生产批量、成本及其它制约因素中找到一个最佳的结合点，实现多材料组合的轻量化结构，强调合适的材料用于合适的部位使结构轻量化设计与优化融入开发前期，降低成本，确保了汽车轻量化的效率和质量。从上述三个方面来说，非金属复合材料对汽车轻量化的贡献是最大的。

国外汽车品牌现在已经大规模使用塑料复合材料（主要是玻纤增强复合材料如： LFT 、 SMC等）和高性能的工程塑料等，而国内自主品牌汽车在塑料复合材料上的应用（重量占比）却相对较少。这也反映了我们整车轻量化技术水平的差距。

据 Marketsand 研究报告称，未来 5年，全球汽车塑料消费量将保持 13.4%的年增长速度增长；将由 2012年的216.17 亿美元激增至 2018年的 461.12 亿美元。

目前，我国已形成相当规模的汽车产业，并拥有一汽、长安、东风、吉利、奇瑞、长城等自主品牌。今后几年将进一步加快发展速度，不断提高民族品牌国际竞争力；在最短的时间内完成中国汽车企业跨入世界最强阵容的共同夙愿。另一方面，我国在合成树脂、工程塑料、复合材料等领域也呈现出快速发展的态势，部分产品在装备、技术和质量指标方面已接近国外先进水平。涌现了一批具有自主知识产权和产品特色的大中型企业，他们也正积极筹划投身汽车材料领域。

中国宏观经济对汽车市场的稳定增长起到支撑作用主要体现在以下三个方面：

——经济稳中有进，就业形势良好，新增就业的呈现出良好发展的态势，为汽车消费的稳定增长提供了有力支撑。

——国民收入增加为汽车消费升级提供动力，为汽车市场带来了长期增长的动力。

——经济结构出现了新变化，中西部汽车市场更加活跃。中部和西部地区的工业发展速度超过东部，呈现出西部比中部高，中部比东部高的一个基本态势。

二、国内汽车行业情况

麦肯锡 2012年底发布报告预测：从现在到 2020

年中国汽车市场虽增速放缓至年均 8 ％，但中国市场新车销量预计仍将超过欧洲市场和北美市场，贡献全球汽车市场增长量的 35 ％。并表示，中国持续的城市化进程，将把城市人口比重从 2011年的 51 ％提高至 2020年的 60 ％。城市人口收入不断增加，中高收入城市家庭数量大幅增长。 “中国的汽车普及率至今仍然较低，只有 5 ％左右。但是，我们看到这一比例正在逐步升高，到 2020年中国的汽车普及率将有望达到 15 ％。

2013 年中国汽车生产情况 12 月 1-12 月累计 环比增长 同比增长 同比累计增长

汽车产量 213.42 2198.41 4.4 17.9 13.9

乘用车 177.70 1792.89 4.8 21.5 15.7

轿车 117.56 1200.97 4.2 17.8 11.8

MPV 16.11 130.52 14.6 291.0 164.5

SUV 31.48 298.88 4.5 52.0 49.4

交叉型乘用车 12.55 162.52 -1.0 -42.1 -28.0

商用车 35.72 405.52 2.8 3.0 6.4

客车 5.37 47.71 21.9 21.6 12.1

货车 21.68 272.59 -5.9 -10.5 2.7

半挂牵引车 2.99 26.34 13.8 73.9 38.2

客车非完整车辆 0.70 8.18 3.4 2.1 0.0

货车非完整车辆 4.98 50.70 24.4 36.8 10.3

企业名称 同比增长（ % ）

上海通用 13.13

上海大众 19.14

一汽大众 13.85

上汽通用五菱 7.79

北京现代 19.92

东风日产 19.82

重庆长安 9.55

长安福特 60.27

长城汽车 28.74

* 一汽丰田销售公司 11.94

乘用车占国内汽车销量 81.6%，比上年提高 1.3个百分点。前十位中长安福特增速最快达 60%，其中 5 家超过行业增速，总体表现较为突出。

前十家企业共销售乘用车 1065万辆，占乘用车销售总量的 59.4%。总体来看合资企业的销售增长带动了乘用车整体市场的增长。

2014 年中国市场预测 结合宏观经济发展趋势的基础上，中国汽车工业协会预测 2014年中国市场全年需求量约为： 2385 万辆至 2429 万辆左右 （全年汽车市场需求量 = 总销量 - 出口量 + 进口量） 中国汽车全年销量为： 2374 万辆至 2418 万辆，增长率为 8%-10%。即： 2385 万辆=2374 万辆 -103 万辆+114 万辆；增长率 8%

2429 万辆=2418 万辆 -103 万辆+114 万辆；增长率 10%

三、塑料在汽车上的应用 近年来车用材料作为汽车科技的要素，品质内涵日新月异。塑料以其轻巧、强韧、易加工的特性，赋予了汽车内、外形体无限的创意空间与灵感而备受关注。随着成型加工技术的不断发展和材料性能的不断提高，塑料的应用正在向着车身覆盖件和结构件等方面发展，从而代替原来使用的钢材和其他金属材料。

在节能环保理念的推动下，安全舒适、轻量节能成为汽车未来发展的主要趋势；塑料作为最佳的可选材料之一，在汽车上的应用也越来越广泛。据估计，未来十年，汽车的重量还将降低 20% 以上，而这也正是塑料应用的舞台。

一般塑料的比重在 0.9-1.6，玻纤增强材料的比重也不会超过 2.0，而 A3钢为 7.6，黄铜为 8.4，铝为 2.7；这就使得塑料成为汽车轻量化的首选材料。使用塑料不仅可以减轻零部件约 40 ％的重量，还可以使采购成本降低 40 ％左右。欧洲人曾做过统计，如果现有欧洲路面上跑的汽车都采用 PC 材料替代车侧窗和后窗的玻璃，使车身轻量化；仅此一项则每年将节省约 21 亿升燃油，相当于 24 亿欧元。另外，由于使用了塑料，汽车的整体重量减轻，由此欧洲每年可减少 1000 万顿的二氧化碳的排放。

在汽车行业，塑料零部件可以减轻重量，提高性能，降低制造成本，还可以降低汽车传动件之间的摩擦力。也就是说：汽车塑化带来的好处，远远不只是单纯的轻量化。

在发达国家，每辆汽车塑料用量从上世纪 90年代的 100-130kg上升到 2004年的 152kg 和 2006

年的 174kg,现在用量是 230kg，预计到 2020年，汽车平均塑料用量将有可能达到 500kg/辆以上。

汽车的电气零部件和内外饰件，大部分采用塑料制造。

未来轿车外壳相当一部分会采用塑料来做

菲亚特的新款 500L 型（ MPV ）的后部固定侧窗采用了 SABIC 的透明 LEXAN GLX 和黑色 CYCOLOY 树脂模塑的无缝集成。减轻大约 35 ％的重量，提升气动效率，帮助汽车制造商实现提升该新车型的燃油效率以及减少排放的目标。

全塑轮毂使用长玻纤增强塑料，与金属制造的相比具有优异的综合性能。每个轮子不但减轻了 3kg，还对于提高乘坐舒适性和燃油经济性有着重要的意义。 LFT 突出的优点是：刚度和强度高，减震回弹性好、耐热、抗蠕变、尺寸稳定，使用寿命长。

大众公司选用了陶氏的玻纤增强 PC/ABS合金，生产 Phaeton美国版的仪表板支架。是因为该材料在模拟撞击试验中，能量的吸收，要比传统材料高出50%；使坐在前面不系安全带的乘客免遭冲击伤害。

TICONA 推出了 POM/LGF，这种材料具有比其他增强热塑性聚合物更优异的性能，用于汽车遮阳篷、车座、高负载传动装置与设备等领域，代替金属和增强聚丙烯、尼龙、聚酯复合材料等材料。北欧化工推出一种长玻璃纤维增强聚丙烯。这种材料可用于宝马1 、 3 、 5 、 7 系列的仪表板载架。与以前使用的材料相比它可减重 20%，同时降低 20%的系统成本，这种材料还支持宝马 SGI集成泡沫注塑工艺。

目前在世界 LFT产品中， GMT约占 52% ， LFT-G 约占 32%，而 LFT-D 仅占 16%。随着新材料、新工艺、新技术的不断普及和推广，专家预测除 GMT 以外，LFT的销售量每年将增长 30%，其中 LFT-D的增长速度会更快。

30%增强尼龙 66

中冷器 节气门阀体

空气阀电子泵壳体 马达端盖

耐高温尼龙的部分产品

17% glass filled ABS

Nylon 6/6 - glass fibre & mineral filled

路虎揽胜极光，在制造中采用了一系列高级轻质材料，比如像 PA/PPO合金应用于前翼子板， PC/PBT合金应用于行人保护吸能块，并将长玻纤增强聚丙烯应用于仪表板及内门模块；使自重小于 1.6吨，比揽胜运动版轻了 35%，二氧化碳排放量低于 130 克 /千米。

雷诺 2013 Clio IV的翼子板采用SABIC 的 NORYL GTX 树脂制造而成。它不仅能有效减轻重量，与钢材相比，可降低达 47%的温室气体排放。

可以说， LFRT是汽车复合材料工业中的希望之星。LFRT 完全可以替代汽车业、工业以及园林草坪业中的压铸件、钢质冲压金属件。总体上看，近年来 LFRT的市场预计增长率平均可达 18-25%，其中亚洲的增长率约为 25%；西欧和北美的增长率分别可达 17% 和 12%。

另据统计，全世界 LFRT的销售总额中， GMT约占 52% ， LFRT-G约占 32%，而 LFRT-D 仅占 16%。专家预测：除 GMT 以外 LFRT的销售量每年将增长30%，其中 LFRT-D的增长速度会更快。

国外 LFRT 发展状况

（欧洲热塑性复合材料联盟统计）

四、未来汽车的轻量化发展

从目前看，要实现整车大规模减重，就必须实现碳纤维增强复合材料在整车上的应用。国外汽车业近年来已经开始投入专项资金进行研究，其中传动轴，车顶、车体或底盘都有了碳纤维增强复合材料的应用样件或样车（概念车）尝试。世界各主要汽车生产国家纷纷将纤维复合材料轻量化技术应用于汽车制造，提为近期国家的战略目标。开展碳纤维复合材料在汽车上的量产应用技术研究。

据媒体报道，宝马年度董事会上强调了“ i系列”车型的“创

新先锋”作用，和在车型阵容中发挥了“中心作用”；将会把碳纤维材料运用到M系列车型上。并称：“全新一代 7系车型也将使用碳纤维材料。它的轻质化将为同级车型树立一个新的更高的标准。新车预计将减重约 272公斤，将于 2015年正式上市发售。

在宝马公司，代号 i 代表智能、创新和国际化。这要求宝马打破传统，用更加宽广的思维去思考自身和汽车业的未来。 i 3的工艺改变了宝马的供应链结构和生产流程，而最大变化在于生产工序的缩减。碳纤维车身节省了传统汽车的打磨上蜡等工序和时间，生产一辆 BMW i 3所需的时间仅为传统汽车的一半。在新车间里，工人的确是通过小推车运输车身零配件。如果说福特创建流水线生产是汽车行业的第

一次革命，那么碳纤维 + 新能源可能是第二次汽车革命。

碳纤维制作的 BMW i3 将颠覆传统汽车业

这是首次将碳纤维大规模运用到量产车上，也是自至少上个世纪80 年代，当第一批全铝车架生产以来，汽车生产中的最大转变。

相关研究表明：使用塑料减轻的重量所产生的作用，不如改善、优化汽车的动力学表现与降低摩擦所产生的效果。菲亚特的最新款 500L型的后窗采用了 PC 和 CYCOLOY 树脂模塑无缝集成。减重大约 35 ％，并提升了新车型的气动效率和燃油效率，而且还减少了二氧化碳的排放。路虎极光采用大量轻质材料和 PA/PPO塑料翼子板，成为了世上最轻的高端品牌SUV。

i 8 的车身包括 Life和 Drive 两个模块，碳纤维材质重量约是传统钢材重量的 1/4 、铝材重量的 1/3 。最终的效果就是 i 8 的车身重量不到 1.5 吨。

这是辆金属银的帕加尼 Huayra 金属色的光泽很好的衬托出了碳纤维细节的质感。

兰博基尼碳纤维车身及整车效果

兰博基尼的全碳纤维单体车身实际上分下舱和车顶两部分，经热压成型。车身已经用在第 6 代 V12 的LP-700 上，整车比前一代轻了 147kg 。

SLR奔驰   McLaren的碳纤维车体

碳纤维进气歧管

碳纤维传动轴

对于帕加尼来说变速箱 220 千克的重量太重，经过一轮一轮改进，这台变速箱竟然减重到 90 千克。

由 Brembo 提供的刹车套件，包括六活塞的卡钳以及碳纤陶瓷的打孔刹车盘。陶瓷的刹车盘只重 5.3kg（比传统的轻了 8kg ）。

五、创新思维 迎接挑战 当今社会，是一个充满着梦想和机遇的社会。传统生产加工、销售物流统统受到了新思维的冲击。新媒体时代到来，以互联网、移动媒体、户外数字媒体为核心的网络交互式媒体，将成为未来企业开展网络营销的主要战场之一。企业网站、门户网站、行业垂直网站、品牌社群、博客、微博、论坛等实施互动的营销传播。这种物联网营销模式，很可能就像阿里巴巴和淘宝对待传统的营销业，颠覆也许是致命的。

这场变革可以被称为实际的生产模式的转变，包括计划、机构、领导、企业监管等等。它标志着第四次工业革命的开始。实际上已能够感觉到它的临近。

——能量的革命：石化燃料将被可再生能源取代，能源的利用通过新技术变得更高效，人们在争取，到2050年要减少 50%的能源消耗。

——材料的革命：一方面是指可再生利用的原料的重复使用（就像碳循环）。另一方面是如何能够把所谓的零浪费生产引入进来（如 3D打印）。

国外汽车自身重量同过去相比减轻了 20% ~ 26%

。预计在未来的 10年内，轿车自身重量还将继续减轻20%。铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料和高强度钢、超高强度钢等轻量化材料的开发与应用在汽车的轻量化过程中将发挥重大作用。 汽车轻量化是中国汽车业的重要发展战略，但目前政府在复合材料研究上对航空业的扶持要多于汽车业。其实汽车行业应该受到更大的重视，因为一旦批量化应用，就会比目前任何单一领域的碳纤维用量都大。

我们认为：要真正实现汽车强国梦，业内必须形成对资源的共享；并且就轻量化工作和途径达成共识，建立横向与纵向的产业联盟。有组织的帮助车企与上下游行业之间形成创新伙伴和利益共同体。相互分工协作，有效配置形成利益共同体；真正搭建起汽车企业、配套零部件企业、塑料与复合材料企业以及其他车用非金属材料行业广泛交流的平台；共同探索出一条互利共赢、合作发展的新途径。

原 材 料 研 发 （ 高 校 、 研 究 院 所 ）原 材 料 研 发 （ 高 校 、 研 究 院 所 ）

材 料 生 产 （ 材 料 供 应 商 ）材 料 生 产 （ 材 料 供 应 商 ）

零 部 件 制 造 （ 零 部 件 供 应 商 ）零 部 件 制 造 （ 零 部 件 供 应 商 ）

整 车 集 成 应 用 （ 主 机 厂 ）整 车 集 成 应 用 （ 主 机 厂 ）

材 料 的 回 收 再 利 用 （ 回 收 企 业 ）材 料 的 回 收 再 利 用 （ 回 收 企 业 ）

政府引导、政策支持

“建立起先进复合材料 材料研发 -原材料生产 -零部件制造 -整车集成应用 - ”回收再利用 的全产业链，各方组建 2个联盟（纵向的产业联盟，横向的主机厂之间的联盟），由协会进行统筹，兼顾各方利益。

组建联盟、协会统筹

谢 谢！ TEL ： 010-82035171

FAX ： 010-64450969

E-mail ： zhengkaiep@126.com

工信部在《节能与新能源汽车产业发展规划》中提出： 2015年平均百公里油耗要达到 6.9L (CO2

155g/km) ，节能惠民标准 5.9L/100km ； 2020年百公里油耗要达到 5.0L (CO2 155g/km) ，节能惠民标准4.5L/100km。

世界铝业工程协会研究表明，车身重量每减少 10%，可降低油耗 6 ％ -8％，燃油效率提高 5.5％，排放降低5-6%；汽车整备质量每减少 100Kg，百公里油耗降低0.3-0.6L。在塑料品种中，聚丙烯消费占到总量的 37%，其次是聚氨酯 (PU)(17.3%) ， ABS 共聚物 (12.3%)，复合材料(11.5%) ，高密度聚乙烯 (HDPE)(10.8%) ，聚碳酸酯(PC)(6.8%)和聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)(4.4%)，由于这些材料具有已成型加工性能，相对其他材料价格更便宜而且易得。

一、轻量化对汽车发展和节能减排具有重大意义 汽车是石油第一大用户，全球 45%的石油是用于交通运输。 2011年，中国每辆汽车平均消耗汽油或柴油 2.15 吨 /年，远高于欧盟的 1.5吨，日本的 1.1吨，中国车用燃油占燃油总消耗量的近 55%。同时，汽车尾气已成为全球的重要污染源之一，每消耗 1 升汽油，将向大气排放 22 克 CO2。在燃煤污染治理之后，汽车尾气占城市大气污染的 75%。因此，迫切需要通过轻量化实现汽车减重和重量平衡，真正实现节能减排的战略目标。

汽车轻量化主要体现在三个方面。 1、汽车的优化设计，可为汽车的轻量化减重 10-15% ； 2、合金材料的应用，可为汽车的轻量化减重 30-40% ， 3、非金属复合材料的应用，可为汽车的轻量化减重 45-

55%。 各国塑料复合材料（以玻纤增强塑料为主）在汽车上的用量：国家 单车用量（ Kg） 重量比例（%）

德国 300 -365 约 22.5

美国、法国 220 -249 约 16.5

日本 126 -150 约 10

中国 90 -110 约 8