【中玻網】聚碳酸酯(PC)材料具有設計自由度高、強度好、密度低、輕量化的特點。從新能源汽車輕量化的要求出發(fā)，分析了新能源汽車的輕量化工作，并從材料、產品性能、標準以及產業(yè)化方面研究了PC材料在新能源汽車輕量化領域的應用前景和存在的問題，PC塑料車窗機械性能優(yōu)于傳統(tǒng)玻璃，但其抗磨性能和耐候性能較傳統(tǒng)玻璃差，PC塑料車窗的應用目前急需建立自身的標準，同時進一步提高耐候性和耐磨性；PC塑料車窗導熱性較傳統(tǒng)玻璃差，塑料車窗電阻絲消耗功率和溫度性能明顯低于傳統(tǒng)玻璃，塑料車窗的除霜除霧功能還有待解決。
　　
　　現代汽車結構、性能和技術的重要發(fā)展方向是輕量化、節(jié)能、環(huán)保和提高安全性。汽車的質量和能源消耗成線性關系．據統(tǒng)計，汽車質量每降低1%則燃耗可降低0.6%～1.0%。能耗又與尾氣排放密切相關．因此，汽車輕量化對節(jié)能和環(huán)保意義重大。
　　
　　相對而言，純電動汽車對于輕量化的需求更加迫切，同時也給輕量化技術的廣泛應用提供了新的機遇．為了實現電動汽車的整體減重，提高電動車的整體性能，首先需要全新輕量化車身和底盤的設計;其次是新材料、新技術、新工藝的應用．本文簡單分析了一下新能源汽車的輕量化工作并結合目前開展的塑料車窗應用項目，研究其應用前景和需解決的問題。
　　
　　1、輕量化要求與發(fā)展
　　
　　車身質量占汽車總質量的40%左右，車身的輕量化對于整車的輕量化起著舉足輕重的作用。實現車身結構輕量化主要有兩個途徑:
　　
　　一是選用強度更高、重量更輕的新材料，例如鋁鎂合金、高度度鋼材等；二是設計更合理的車身結構，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化以及對車身零部件進行結構和工藝改進等．靠前種途徑在目前看來應該是車身輕量化的主流，針對規(guī)模化生產的需要，已有很多輕質材料應用于車身制造工業(yè)，如高度度鋼、鋁合金和碳纖維等；第二種途徑是利用有限元法和優(yōu)化設計等方法對車身進行結構分析及優(yōu)化設計，以減小車身骨架和車身鋼板的質量．以上兩種途徑是相輔相成的，必須采取材料替換與結構改進相結合的方法，才可能在保證汽車整體質量和性能不受影響的前提下，非常大限度地減輕各零部件的質量。
　　
　　汽車底盤是汽車的支撐部分．它保證了汽車的堅固性，通過減震從而幫助提高汽車的撞擊阻力．在衡量汽車內的噪音、振動水平(NVH)的數值中，底盤也是非常重要．NVH的降低不僅提供了舒適的駕駛感受，而且還降低了連接件的壓力，增長了這些組件的使用壽命，而降低NVH的決定性因素是能量的吸收．能量吸收的水平越高，NVH降低的程度就越大。更重要的是，在碰撞中可以更好地進行人員保護。所以相對于電動車而言，它需要有經驗化底盤設計。
　　
　　不同于傳統(tǒng)汽車，它以滿足動力電池、電機、控制器等零部件的布置要求;同時向電子化、信息化、集成化、網絡化、智能化方向發(fā)展，滿足未來電動汽車的發(fā)展要求。
　　
　　隨著國內外電動汽車的發(fā)展，其他輕量化新材料和新技術的應用也逐漸多了起來并趨于成熟（見表1）。目前我們要點關注的技術有:
　　
　　(1)塑料翼子板PPO/PA；
　　
　　(2)前端模塊化設計；
　　
　　(3)門模塊；
　　
　　(4)后尾門模塊；
　　
　　(5)整車玻璃塑料化；
　　
　　(6)高度度鋼的應用比例逐漸增加；
　　
　　(7)熱壓成型新工藝的應用；
　　
　　(8)液壓成型；
　　
　　(9)激光拼焊；
　　
　　(10)鋁鎂合金零部件的應用逐漸增多。

　　2、輕量化工作的機遇與挑戰(zhàn)
　　
　　新能源汽車行業(yè)正處在一個快速發(fā)展的階段，中國和全部汽車集團的差距在新能源汽車領域的表現并不像傳統(tǒng)燃油車那么巨大，大部分都處在同一起跑線上，甚至在某些領域，比如電池技術方面還取得了一些全部優(yōu)異技術。但如果不抓住未來的5～10年時間，將會在新能源汽車領域的差距再次被全部汽車集團拉大，中國汽車業(yè)將失去這一歷史機遇。電動汽車作為未來5～10年發(fā)展的要點，輕量化技術的應用將越來越受到重視。
　　
　　目前國內所有汽車廠，幾乎都涉及了新能源領域，輕量化也是大家所共同追求的目標，但也存在一些問題，筆者認為主要有三個方面。
　　
　　2.1、輕量化技術與全部先進水平存在一定的差距
　　
　　主要表現:零部件設計開發(fā)及試驗能力；在材料開發(fā)、模具制造、工藝設備、新技術的應用成熟度方面差距明顯;目前多數輕量化新材料和新技術的研究多數都是國外的成果，國內缺少原始的參數和試驗數據，只能將零部件拿到國外的公司設計開發(fā)，模具和工藝設備基本靠進口，模具和工藝設備的制造能力目前國內落后全部很多．這就導致了國內輕量化技術的應用成本增加，投入資金變大．目前，全部上全鋁車身、模塊化設計、塑料翼子板、熱壓成型高度度鋼的應用技術已經相當成熟，也有不少成功應用的車型，而國內自主開發(fā)應用的車型卻寥寥可數。所以需要國家相關部門的關注，加大上游研發(fā)的支持力度，特別是在新材料、模具制造、設備制造水平上實現國內自主開發(fā)、生產。
　　
　　2.2、輕量化技術的產業(yè)化問題
　　
　　主要表現:一些先進輕量化技術只能在國外生產和制造，國內受設計能力、模具制造能力、以及設備，資金的限制，尚無一家具備生產能力;無法實現國內的產業(yè)化，新的輕量化方案也只能是紙上談兵。需要國家相關部門的關注和推動整個汽車產業(yè)鏈的發(fā)展與建設．只有整個汽車產業(yè)鏈上的核心技術實現了國內產業(yè)化，我們的民族汽車工業(yè)才能不受制于人，同時減低電動車的成本，推動整個電動汽車行業(yè)的健康發(fā)展。
　　
　　2.3、輕量化技術相關標準法規(guī)
　　
　　新能源汽車是高新技術密集型產品，設計面很廣，技術更新發(fā)展也很快，因此要不斷制定和修訂相關標準，以便更好的適應和推動行業(yè)的健康發(fā)展．目前一場沒有硝煙的標準化爭奪戰(zhàn)已經打響，知識產權的保護刻不容緩的擺在國內企業(yè)的面前．失去標準法規(guī)這個新能源行業(yè)的制高點，我們將會付出慘痛的代價，中國在這方面的教訓已經足夠深刻。所幸的是目前國內也十分重視電動汽車標準化的建設，許多科研單位和企業(yè)在開展電動汽車的研發(fā)和產業(yè)化的同時，也在積較學習和借鑒國外電動車標準的成果和經驗．積較開展我們自己的電動車標準化工作有利于我國電動汽車產業(yè)的發(fā)展。
　　
　　國家相關部門應要點關注和推進完善標準法規(guī)體系，加強標準法規(guī)的制訂力度和完善各企業(yè)間地合作，切實加強標準法規(guī)對行業(yè)的指導作用，爭取在短時間內基本建立起與產業(yè)發(fā)展和能源規(guī)劃相適應的節(jié)能與新能源汽車標準體系；同時積較參與全部合作，在全部標準爭奪戰(zhàn)中取得有利地位。
　　
　　本文列舉在以PC為材料的塑料車窗技術應用研究方面的情況，要點探討了塑料車窗在國內的應用前景和需進一步解決的問題。
　　
　　3、PC視窗技術發(fā)展
　　
　　聚碳酸酯簡稱PC，是一種無定型、無臭、無害、高度透明的無色或微顏色熱塑性工程塑料．它具有以下特點:優(yōu)良的物理機械性能，蠕變性小，尺寸穩(wěn)定;良好的耐熱性和耐低溫性，無明顯熔點，在220～230℃呈熔融狀態(tài);由于分子鏈剛性大，樹脂熔體黏度大;吸水率、收縮率小，尺寸精度高，尺寸穩(wěn)定性好，薄膜透氣性小;屬自熄性材料;對光穩(wěn)定，但不耐紫外光;耐油、耐酸，不耐強堿、氧化性酸及胺、酮類，溶于氯化烴類和芳香族溶劑，長期在水中易引起水解和開裂．它的缺點是因舒緩勞累強度差，容易產生應力開裂，抗溶劑性差，耐磨性欠佳．通過改性和鍍層后可應用于汽車車窗，它在未來10年的主要應用是:天窗，固定車窗(除前風擋)，車身面板等(見圖1);聚碳酸酯作為汽車車窗應用的需求量預期到了2018年將達到約100kt．目前比較成熟的塑料車窗開發(fā)流程為:構思→設計理念→材料選擇→產品設計→技術開發(fā)→模具設計→注塑成型→涂層→成品。
　　
　　如圖1所示，因為前風擋法規(guī)和安全性的要求，目前，前風擋在現有技術水平下還無法應用;前三角窗和前車門玻璃因為耐磨性要求和駕駛員的視野要求等，正在研發(fā);市場已經有所應用的，主要是車體后半部的車窗和固定車窗以及全景天窗等。相對于無機玻璃，聚碳酸酯PC玻璃具有以下優(yōu)勢:
　　
　　(1)設計自由度提高，功能整合；
　　
　　(2)韌性，抗沖擊性提高；
　　
　　(3)減重效果明顯，可降低整車重心，減少二氧化碳排放;聚碳酸酯比重為1．2g/cm3;無機玻璃比重為2．5g/cm3，理論減重50%，實際應用中減重效果為30%～40%；
　　
　　(4)可回收，環(huán)保，循環(huán)利用；
　　
　　(5)提高安全性。

　　　隨著產品性能和制造工藝的不斷完善，塑料車窗正在向著模塊化的方向發(fā)展（見圖2）。圖2中的全景塑料天窗采取模塊化設計，集成了剎車指示燈、室內照明燈、線束、天線等都有所體現，設計自由度高，可以充分發(fā)揮塑料車窗的優(yōu)勢。當然PC也存在一定的不足：
　　
　　(1)耐候性不如無機玻璃；
　　
　　(2)耐磨、耐刮擦性不如無機玻璃；
　　
　　(3)拉伸模量與無機玻璃區(qū)別明顯。
　　
　　針對PC的這些缺點，一方面可以通過與其他農業(yè)生產體系物共聚、均聚、共混來克服；一方面需要優(yōu)化模具和工藝設計；另外針對耐候性和耐磨性的不足，需要合適的涂層技術。但國內較缺乏的就是涂層技術的產業(yè)化應用。目前效果較好的是濕涂層技術，通過它的處理，PC玻璃的耐刮擦及耐候性可得到較大改善;在聚碳酸酯上施涂濕涂層的可加工性及應用已經在國外得到證實和實車應用，車窗玻璃可實現減重40%。
　　
　　4、塑料車窗性能研究
　　
　　4.1、材料性能
　　
　　本次研究樣品以后風擋為對象，塑料后風擋以PC(聚碳酸酯)改性材料作為原材料．原材料性能測試結果見表2。

　　因為聚碳酸酯自身存在的耐刮擦和耐候性不足，就決定了需要PC玻璃涂層技術，采用淋涂工藝、雙層涂鍍技術可取得較好的耐候、耐磨效果。
　　
　　通過在中國國內的市場調查，目前PC玻璃產業(yè)化的非常大不足點是在涂層技術方面;模具、注塑機等設備國內僅少數幾家具備一定的設計和生產能力;較新型的注塑工藝為旋轉注塑、多層注塑，同時注塑時可動態(tài)給模具加熱，模具加熱有利于提高產品合格率和成品質量，國內目前還沒有這項工藝．實際應用和本次測試的塑料車窗都是帶涂層的產品．
　　
　　4.2、產品性能
　　
　　后風擋因為有除霜除霧的要求，所以塑料車窗可分為帶電阻絲和不帶電阻絲兩種。
　　
　　不帶電阻絲
　　
　　塑料玻璃因為其用途與傳統(tǒng)玻璃是一致的，所以車窗玻璃的大部分性能要求，塑料車窗也必須滿足，只是具體的標準還需大量的試驗數據提供參考．塑料車窗基本性能要求包括:人頭模型沖擊試驗、落球試驗、霰袋沖擊試驗、磨損試驗、抗穿透試驗、防火試驗、耐濕性、耐熱試驗、耐化學性試驗、耐候性、透射比、光畸變等。
　　
　　通過試驗我們發(fā)現PC塑料后風擋具有良好的抗沖擊性能和光學性能，PC塑料后風擋與傳統(tǒng)玻璃相比光學性能優(yōu)越，透光率達到90%以上；落球試驗和霰袋沖擊試驗結果沒有差異，且PC后風擋同時也滿足人頭模型沖擊試驗和抗穿透試驗;PC后風擋機械性能優(yōu)于傳統(tǒng)玻璃；但其抗磨性能和耐輻照性能較傳統(tǒng)玻璃較差。當然我們是沿用現有標準和試驗方案進行分析的，通過整個過程我們也感到直接套用現有傳統(tǒng)玻璃的性能要求和試驗方法，并不完全適合塑料車窗。所以需要通過大量的數據積累和研究實際的使用環(huán)境，制定符合實際使用要求的標準和試驗方法；同時也必須從塑料車窗產品性能本身出發(fā)繼續(xù)改善其自身的耐磨性和耐候性，才能推動塑料車窗的實際應用。
　　
　　帶電阻絲
　　
　　塑料后風擋除需要除霜除霧功能外，仍然需要考慮其他性能要求。它包括:耐清洗液、過電壓、加熱絲消耗功率、溫度性能、不透明率、融化效率、插片強度、加熱絲插片抗彎曲試驗、電熱耐久性等要求。
　　
　　通過整個試驗發(fā)現PC塑料后風擋因為塑料的導熱性較傳統(tǒng)玻璃差，塑料玻璃與電阻絲的結合技術還不是很完善，其消耗功率和溫度性能明顯低于傳統(tǒng)玻璃，而消耗功率低導致通電后其主表面溫度低，不能起到很好的除霜效果。因此建議PC后風擋若想達到理想的除霜效果，其消耗功率應在不影響整車功率的條件下高于傳統(tǒng)玻璃的要求，但需要考慮與整車電源功率匹配。
　　
　　圖3所示為我們對帶加熱絲的后風擋進行除霜除霧試驗時的情況。試驗過程中主表面溫度為32．8℃，兩側插片附件溫度為56.4℃。因為塑料導熱性較傳統(tǒng)玻璃差，所以除霜除霧性能有待提高。

　　5、結束語
　　
　　輕量化是新能源汽車發(fā)展的必然要求，前期結構設計、新材料、新工藝，新技術的開發(fā)需要上游材料廠、整車廠、零部件企業(yè)及整個產業(yè)鏈的協(xié)調發(fā)展與協(xié)作，也特別需要國家相關政策法規(guī)的引導和支持。
　　
　　作為整車輕量化的一個手段，塑料車窗的應用前景廣闊。鑒于試驗條件的局限性，較終結果不免存在一定誤差，但是通過本次試驗，已經可以初步獲得以下幾點結果。
　　
　　(1)塑料車窗在新能源汽車上可應用零部件:全景天窗、后風擋玻璃、側固定車窗，整體較傳統(tǒng)鋼化玻璃實際應用中減重效果為30%～40%；單件成本需要較終國內產業(yè)化后確認。
　　
　　(2)塑料車窗的應用主要存在三個問題:標準和試驗方法的建立問題、國內產業(yè)鏈建設問題、成本問題．這三方面問題應加以打破和發(fā)展，塑料車窗必像汽車大燈一樣，迎來快速發(fā)展。
　　
　　(3)塑料車窗的耐磨性和耐候性是主要存在的兩個難點，還需依賴涂層技術的發(fā)展，以滿足車窗的耐候和耐刮擦等性能要求；國內應該加強涂層技術研究，不斷改善和提高塑料車窗的耐磨性和耐候性。
　　
　　(4)塑料車窗的除霜除霧功能還需加強研究和改善性能。
　　
　　(5)目前塑料車窗實際應用過程中面臨無標準可依的問題，照搬傳統(tǒng)玻璃的標準和試驗方法顯然不完全適合塑料車窗。如何確定適合塑料車窗的統(tǒng)一的要求和試驗方法急需相關部門和企業(yè)共同制定完善。并且后期塑料車窗3C認證問題也需盡快解決。
　　
　　(6)通過研究，我們認為塑料車窗現階段比較適合B柱之后的固定車窗，特別適合造型復雜、自由度高的設計，同時可實現零部件的集成模塊化，這樣雖然塑料車窗單件成本提高了，但通過減少零部件的數量，整車成本仍可得到較好控制，從而推動塑料車窗的應用和實現整車輕量化目的。
　　
　　模塊可靈活構成不同的有經驗能力，覆蓋該有經驗能力的所有模塊農業(yè)生產體系地組合成本有經驗的模塊化教學體系，較終構建成模塊化人才培養(yǎng)方案，以培養(yǎng)學生有經驗能力、綜合素質、嚴謹的工作作風、實事求是的科學態(tài)度和不拘一格的創(chuàng)新精力。因此，只有構建適合各有經驗特點的模塊化教學模式，才能提高應用型高等院校教學質量，培養(yǎng)出社會所需的高質量的工程應用型有經驗人才。