郑娟 张亮

（泛亚汽车技术中心有限公司）

汽车产量的持续攀升，汽车保有量的增加，对人类社会产生深刻的影响，同时对能源也产生了三大问题——燃油消耗、排放和安全。减少燃油消耗和降低排放的有效途径是减少汽车的自重，亦即汽车轻量化。大量的实验结果表明:乘用车自重每减轻10%，油耗将下降6%～8%；汽车每减少100 kg，100 km 油耗可降低0.3～0.6 L；若滚动阻力减少10%，燃油效率可提高3%；若车桥、变速器等机构的传动效率提高10%，燃油效率可提高7%[1]。相关系统实验表明:在符合欧IV 标准排放下，汽车自重和油耗亦呈线性关系[2]。由此可见，伴随轻量化而来的突出优点就是油耗显著降低。空载情况下，约70%的油耗用在车身质量上，因此轻量化对减轻汽车自重，提高整车燃料经济性至关重要[1]。

1 传统车门中柱饰板材料的优缺点

钢材作为汽车的主要原材料，在汽车设计制造中广泛应用。作为车门中柱重要的结构件及装饰件，长期以来，以欧美车企为代表生产的汽车，车门中柱饰板均采用钢材，用钢材做出的饰板有许多优点，即强度高、抗拉和抗冲击性能强、不易变形及耐燃性强等。但钢材的属性又决定着它的许多缺点，中柱饰板的断面复杂，钢性饰板的模具设计及制造相对复杂，模具费用高；因成型性能的限制，饰板的造型不能过于复杂；钢材的重量相对其它材料较重；钢材耐腐蚀性差，需要做额外的防腐处理，增加了整车的物料成本。

为减轻钢材中柱饰板的质量，铝合金材料也曾被用来替代钢材，相对钢材，铝材的体积质量较轻，成型性能更优，可制作出相对复杂的结构，从理论上来说是能起到轻量化的作用，但是铝材相对较软，同样厚度的铝材不能达到与钢材一样的机械性能，因此需要对设计进行优化，增加饰板的厚度，如此一来，零件的质量并不能减轻。

2 复合材料中柱饰板的优缺点

目前用于汽车轻量化的材料有许多，而塑料因其具有质轻、性能优良、耐腐蚀和易成型加工等优点，使其在汽车材料中的应用比例不断增加。

1）质量轻、密度低。以ABS 或PC 塑料为例，其质量密度仅为钢的14%，以塑料代替钢材料时，不论以弯曲刚度，还是以弯曲强度作为汽车构件的性能判据，采用塑料都有明显的减重效果。

2）加工性能好。塑料和塑料复合材料的加工性能好，精加工成本低，可用多种加工方法成型，如注塑、复塑、喷射、树脂传递模塑（RTM）及反应喷射模塑（RIM）等。选定成型方法后，加工产品及缠绕精度高，生产效率高，降低了制造成本。

3）塑料尤其是塑料复合材料的可设计性强，手感好，很适合作为车辆各种内外饰件。

4）容易实现零部件的一体化。大大减少一些部件或总成的零件量，减少部件的加工工序，降低部件成本，并可提升部件的性能，这种性能使得复合材料制作复杂件时，其成本可以和钢铁材料竞争。

5）耐冲击具有较高的撞吸能，同时塑料或复合材料的制品具有一定的粘弹性，不仅撞击吸能高，而且撞击时不会发生碎裂，也增加了一些安全因素。塑料还可有效的减少振动，提高舒适性。

6）优良的抗蚀性。作为外覆盖件可以延长使用寿命和增加车辆的美观。

7）汽车塑料零件生产的投资少，见效快；塑料的不足在于耐热性不足，强度偏低，耐疲劳性差，热固性塑料的再生性差，在低温寒带使用时脆性增加，目前正通过纤维增强和改性克服这些不足。

3 塑料复合材料在汽车车门中柱饰板上的应用方案解析

中柱饰板在车身结构中的作用并非起安全作用，一般起两种作用，一为装饰件，如图1所示，将车门或者车身的焊接处遮挡住，对于这一类的饰板，由于其仅作装饰，对于车门结构所起的功能作用微乎其微，因此对材料的耐久性要求相对不是特别高，选择范围较广。而有一些车门需要中柱饰板同时起到玻璃升降导轨的作用，如图2所示。对于此类饰板，因其承担重要的功能结构作用，对于材料的选用需要综合考虑，其中较重要的指标是要有高强度及耐久性，以起到功能饰板在车门中的结构作用。针对不同档次的汽车，车门中柱饰板有两种表面光泽效果可供选择，其中光泽度小于30 的为低光配置，光泽度大于80 的为高光配置。

3.1 低光表面配置中柱饰板方案

工程塑料 ASA (Acrylonitrile Styrene Acrylate Copolymer)是丙烯酸酯类橡胶体与丙烯腈、苯乙烯的接枝共聚物。

1）ASA 具有良好的机械物理性能。ASA 和 ABS 的结构相似，由丙烯腈和丁二烯橡胶组成，其保留了ABS作为工程塑料所具有的极佳的机械物理性能。

2）ASA 具有很强的耐候性。高分子聚合物中若含有双键，则双键容易被能量强度较大的太阳光中的紫外线所打开，由此造成高分子聚合物的耐老化性能下降，而ASA 正是用不含不饱和双键的丙烯酸橡胶替代了ABS 中含有不饱和双键的丁二烯橡胶，因此，不但可抵抗紫外线照射引起的降解、老化、褪色，同时对大气中氧化加工过程中的高温引起的分解或变色有了坚强保障，极大地提升了材料的抗老化性及耐侯性。根据测试结果，ASA 的抗老化性能是ABS 的10 倍以上。

3）ASA 具有比较好的耐高温性能。

4）ASA 是一种防静电材料，能使表面少积灰尘。

ASA 在持续长时间的风蚀后，也不会像经特殊处理的耐老化的ABS 那样渐成灰色（由于风蚀或水流造成表面许多显微裂缝和气蚀）。ASA 的典型应用是外饰板、外视镜、散热器格栅、尾部挡板、灯罩等承受日晒、雨淋和强风吹等恶劣条件下的外部部件。目前，逐步延伸到了摩托车面板、野营汽车、小型船壳、冲浪板等领域。

但因为其材料的特殊性，无法取得表面高光效果，因此，采用ASA 材料作为中柱饰板，并在表面采用皮纹处理，对于不需要高光效果的中低档车型是个高性价比的选择，对于装饰类和功能类均可采用这种材料。目前主流厂家，如通用、大众、丰田等许多车型上都有应用。

3.2 装饰类高光中柱饰板方案

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），俗称有机玻璃，是迄今为止合成透明材料中质地最优异、价格又比较适宜的品种。PMMA 树脂是绿色无毒环保的材料，除汽车零件外，还可用于生产餐具、卫生洁具等。它的优点主要包括:优异的透光性能（92%），良好的耐候性，表面硬度高，亮度高，无固有颜色，易于着色，并且具有良好的化学稳定性。此外，PMMA 可简单热降解，100%可回收，易于环保。PMMA 可达到高光钢琴漆效果，目前在全球一些整车厂把它作为立柱饰板的材料，但由于PMMA 表面硬度不高、易擦毛、抗冲击性能低、成型流动性能差等缺点，PMMA 的改性相继出现，但是改性后的原材料价格也上涨了许多，相对于钢材，还需要付出更多的成本。

从目前采用PMMA 作为外饰板的车型分析来看，单纯使用PMMA 作为饰板有其弊端。

1）脆性大，极易发生脆裂。某些品牌在售车型上设计了带集成导轨作用的纯PMMA 中柱饰板，售后数据反馈出多起饰板破裂的售后报怨，因此，纯PMMA 中柱饰板仅推荐在装饰类饰板中使用。

2）耐刮擦性差，极易擦毛。在对PMMA 制成的饰板零件进行模拟洗车房洗车耐磨试验之后，零件表面的光泽度的损失多达90%，如图3所示。但在经过抛光处理后，光泽度可改善至原始零件的90%以上。由此可见，PMMA 的可修复性能还是有保障的。

3.3 功能类高光中柱饰板方案

3.3.1 双色注塑方案

PMMA 材料脆性大，极易发生脆裂，不可在功能类中柱饰板中直接应用，选择在此材料的基础上增加一层拥有高性能的复合材料作为基底，是一个比较合适的方案。

塑胶原料树脂ABS 是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料结构。ABS 树脂是目前产量最大，应用最广泛的聚合物，它将丙烯腈、1，3- 丁二烯、苯乙烯的各种性能有机地统一起来，兼具韧、硬、刚相均衡的优良力学性能。ABS 工程塑料具有优良的综合性能，有极好的抗冲击强度，尺寸稳定性好，电性能、耐磨性、抗化学药品性、染色性、成型加工和机械加工较好。

ABS 树脂可以在-25～60 ℃的环境下表现正常，而且有很好的成型性，加工出的产品表面光洁，易于染色和电镀。针对PMMA 脆性大，硬度不高，抗冲击性能低等缺点，采用ABS 作为基底，再进行PMMA 二次注塑，为中柱饰板提供了设计优化，很大程度地改善了纯PMMA 饰板的弱点，尤其是带有玻璃升降导轨功能的中柱饰板，如不采用ABS 作为基材，发生PMMA 破裂问题的概率非常高。

双色注塑这种工艺易于换颜色而可以不用喷涂，但造价昂贵，技术要求高。两种塑胶材料在同一台注塑机上注塑，分2 次成型，但是产品只出模一次，通常由一套模具完成，且需要专门的双色注塑机。此外，由于不同材料的树脂收缩率存在差异，从而影响结合面结合强度，很容易造成产品的翘曲变形，双色成型过程比较难以控制，利用三维模流分析技术进行分析，可以找到其中问题点，对产品或模具进行优化，以最快、最省的方式解决问题。

双色中柱饰板在通常的情况下，很容易出现反凹的缺陷，如图4所示的三维模流分析报告中，产品两侧上翘较多，中间上翘较少，导致产品表面会出现反凹的缺陷，为避免此类缺陷，建议在产品设计时增加一定量的弧度。此分析报告还显示，在产品尾部区出现了1.9 mm的下沉，建议在模具设计时预设1 mm 以上的向上预变形量。

3.3.2 单色注塑方案

除PMMA 材料可做出高光表面效果，PC 材料也是一种可供选用的方案。

PC 是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型。其中由于脂肪族和脂肪族-芳香族聚碳酸酯的机械性能较低，从而限制了其在工程塑料方面的应用。目前仅有芳香族聚碳酸酯获得了工业化生产。由于聚碳酸酯结构上的特殊性，现已成为五大工程塑料中增长速度最快的通用工程塑料。

PC 主要有以下物理性能:

1）耐热性强，热变形温度:135 ℃，低温-45 ℃；

2）机械性能较低；

3）耐冲击性能好；

4）光学性好，折射率高；

5）加工性能好；

6）阻燃性好，不需要添加剂就具有UL94 V-0 级阻燃性能；

7）耐磨性差，一些用于易磨损用途的PC 器件需要对表面进行特殊处理。

PC 主要有以下化学性能:

1）耐弱酸，耐弱碱，耐中性油；

2）不耐强酸，不耐强碱，改性可以耐酸、耐碱；

3）不耐紫外线光，长期暴露于紫外线中会发黄；

4）较好的耐水解性，但不能用于重复经受高压蒸气的制品；

5）容易受某些有机溶剂的浸浊。

为了维持PC 材料的性能，并同时改善PC 材料的不足，考虑到PC 在注塑时通过添加色母而达到不同的颜色要求（通常饰板为黑色），必须在PC 表面用透明涂层或者油漆，以达到中柱饰板作为外观功能件的质量要求及耐久要求。在众多涂层及油漆中，hard coating（硬涂层）性能最佳，它是一种有机硅树脂或改性树脂的透明薄层（一般4～8 μm），通常以溶剂中的液体形式工作，在130 ℃下固化或在紫外线照射下固化变硬。硬涂层不仅增强了塑料材料耐刮伤和耐化学的性能，而且给PC 带来耐候保护，同时更增强了PC 的耐冲击性及热稳定性。试验数据表明，PC 材料在喷涂了硬涂层之后进行洗车耐磨试验，表面的光泽度的损失仅在5%以内，而油漆的光泽损失度为20%左右。

4 结语

汽车轻量化是目前汽车工业发展中所要解决的油耗、排放和安全三大问题的有力手段。寻找安全有效的轻量化方案是各个整车厂关注的重点。塑料复合材料在车门中柱饰板中的应用可以有效地降低中柱饰板的重量，从而达到轻量化的目的。