以塑代钢技术 推进汽车轻量化

1953年，世界上第一部FRP（玻璃钢）汽车在GM Corvette诞生，标志着聚合物基复合材料成为汽车工业的一支生力军

2014年，宝马推出纯电动车型宝马i3，使用了200-300千克来自巴斯夫的碳纤维复合材料，整体重量较之前的设计减轻了250-350 kg

2016年，帝斯曼推出新型聚酰胺产品ForTii® Ace，用以替代金属压铸件及昂贵的高性能热塑性工程塑料

2017年，奇瑞eQ1采用沙特基础工业公司（SABIC）的工程聚烯烃材料，其电动汽车尾门板内部结构的重量减轻了40%

轻量化，毋庸置疑已成为当今新车研发的焦点，要达到轻量化目标，除了优化结构与工艺设计之外，大多围绕在材料的选取上，其中以塑代钢是大趋势。

一 . 汽车轻量化简介

汽车的轻量化，指的就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。

汽车的轻量化对节能减排影响很大，对传统内燃机汽车来说，自重每降低10%,可节油5%，油耗减少的同时尾气排放量也减少，最终也减少了对环境的污染。新能源汽车对轻量化的要求更为迫切，有研究表明纯电动汽车整车重量降低10kg，续驶里程可以增加2.5km。



汽车轻量化实现路径

汽车轻量化包含结构轻量化、材料轻量化、制造工艺轻量化等手段。其中，材料轻量化由于直接通过新材料的应用来减重，其在轻量化中的效果非常明显，该方法在轻量化中占有举足轻重的地位。

二．轻量化材料

在材料轻量化领域，可以采用轻金属、高强度钢、塑料件代替金属件（以塑代钢）等形式来达到轻量化的目的。主流轻量化材料发展状况如下图：



主流轻量化材料所处生命周期

塑料件密度低，一般塑料的比重在0.9-1.5之间，纤维增强复合材料的比重也不会超过2.0，而金属材料的比重，A3钢为7.6，黄铜为8.4，铝为2.7。这就使得塑料材料成为汽车轻量化的首选用材。在众多减重方案中，“以塑代钢”正处于快速成长期，发展潜力巨大、优势明显。




图片来源于：Plastic Mouldings Lt

以塑代钢技术，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，替代传统钢材，作为车身零部件，使得整车的重量降低至原重量的1/4-1/8，实现汽车轻量化，并减少汽车燃料消耗。

三 . 国内外汽车以塑代钢现状

汽车轻量化的发展，使包括聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、热固性复合材料、ABS、尼龙和聚乙烯等在内的塑材市场得以迅速放大。近两年，车用塑料的最大品种--聚丙烯，每年以2.2%—2.8%的速度加快增长。预计到2020年，发达国家汽车平均用塑料量将达到500千克/辆以上。

相比全球40%的改性塑料用于汽车行业，中国仅10%左右，国内汽车以塑代钢轻量化还有巨大的发展空间。衡量一个国家塑料工业发展水平的重要指标——塑钢比，我国仅为30∶70，不及世界平均的50∶50，更远不及发达国家如美国的70:30和德国的63∶37。




中国塑钢比远低于其它国家

由于全球汽车产量增速稳定，再加上汽车轻量化需求增加使得单车塑料用料不断增加，预计2018年全球车用塑料市场将由2012年的216.16亿美元增至461.12亿美元，消费量预计将从2012年的710万吨增至2018年的1130万吨。




资料来源：Wind

全球汽车产量

全球轿车产量增加以及汽车轻量化趋势正推动车用塑料需求不断的增长。车用塑料广泛应用于内饰、外饰、汽车引擎盖等其他部件，有助于减轻整体车重，并起到控制振动和噪声、车身保温等功能。据估计，未来十年，汽车的自重还将降低20%，塑料已经成为了21世纪汽车工业最好的材料选择。

国内汽车产量增速在过去多年中都远远高于全球汽车产量增速，国内单车塑料用量却要远远低于欧美等发达国家，发展空间巨大。另外，中国也是全球最大的新能源汽车市场。由于新能源车需要通过减重来提升续航，其对轻量化技术的需求更为迫切，因此国内车用塑料的需求增速将高于全球平均水平。据亚化咨询，未来5年内国内汽车改性塑料行业年复合增长率将超过26%。



资料来源：Wind
中国汽车产量

四 . 以塑代钢应用情况

目前很多国际大品牌都开始越来越多的使用以塑代钢技术。



图片来源于：华众车载官网
以塑代钢在汽车上的应用总览

国外汽车复合材料的应用



塑料在汽车轻量化中的应用




五 . 以塑代钢市场情况



资料来源：《2018年全球车用塑料市值将突破460亿美元》

据《全球汽车轻量化推动发泡聚丙烯的发展》，在所有的车用塑料中，聚丙烯所占份额最高达37%；其次是聚氨酯，占比17.3%；ABS树脂占12.3%；复合材料占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



资料来源：工程塑料网



2）聚合物发泡材料

聚合物发泡材料具有质轻、隔热、缓冲、防腐、比强度高、价格低廉等优点。目前，主要的泡沫塑料有聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)和聚烯烃三大类。

几种泡沫塑料性能对比



在聚烯烃发泡塑料中，发泡聚丙烯因为具有良好的热稳定性(最高使用温度可达130℃)，优异的耐应力开裂性及高温尺寸稳定性，较高的拉伸强度和冲击强度，以及优异的微波适应性等特点而成为了应用研究的热点。



发泡聚丙烯在汽车上的应用

3）轻量化材料成型工艺



图片来源：聚合物基复合材料在汽车工业中的应用[J]
LFT-D 成型工艺和GMT 成型工艺的示意图

与传统GMT成型工艺相比，LFT-D成型工艺省略了半成品制备步骤，因而大幅度提高生产效率，比传统工艺成本低20%-50%。与同类材料成形工艺相比，其制品的抗冲击性能提高大约40%-60%。LFT-D成型工艺包含材料复合工艺、冲压模压工艺、数控化设备等关键难点，欧洲已成功应用20多年，目前国内尚未系统攻克。此项工艺对于满足汽车等领域对轻量化技术的需求意义重大。

六 . 相关案例

油管油泵

塑料油管在丰田和本田车型上的应用将油管的整体重量降低了70%以上。

欧洲部分厂家已经在采用聚醚砜替代金属铝控制油泵，这一材料可在-40℃至200℃的温度之间保持稳定的，并且可以将油泵整体成本降低30%，具有相当的应用价值。

继电器

汽车继电器也是以塑代钢重点关注的领域，现在对继电器的要求越来越高，金属针脚要经过一道高温焊锡制程（SMT），需要利用耐高温的LCP材料。

顶棚



图片来源：聚合物基复合材料在汽车工业中的应用[J]

上汽采用轻质GMT复合材料制备顶棚内饰板，可实现减重20%-30%，综合成本可降低约20元/件。

车门



图片来源：公开资料

采用LGF-PP（长玻纤增强聚丙烯）材料制作的福特Fiesta后车门，相比钢制车门重量减轻50%。

保险杠




图片来源：公开资料

汽车保险杠是以塑代钢应用的主要部件之一，目前市场上的大部分汽车保险杠都以已用了塑料件。保险杠的面板是PP、PC/ABS、PC/PBT等材料，骨架是木材或者金属等材料，中间部分是PP发泡材料等。


发动机进气管




图片来源：http://vw.faw-vw.com/zh/cn.html

金属压铸件



图片来源：Omnexus(SpecialChem)

目前市场上替代汽车金属压铸件的热塑性塑料，大多数应用于125℃以上的温度时，机械性能会大幅度的下降。而由帝斯曼开发的新型塑料即使在150℃高温下连续使用也能够保持机械性能稳定，从而替代金属压铸件。

油箱




图片来源：公开资料

此前油箱一般用金属制成，采用塑料件既能满足汽车技术要求，又能减重。

七 . 相关政策

2016年10月，中国汽车工程学会发布《节能与新能源汽车技术路线图》。路线图指出，到2020年、2025年、2030年，整车质量需比2015年分别减重10%、20%、35%。对于车企来说，汽车轻量化越来越具有现实意义，而毫无疑问，车用塑料的前景也因此愈加明朗化。

另外随着各国对环保要求的加强和政策对新能源汽车的支持，新能源汽车的发展迅速，并且已经有多国提出了禁售传统燃油汽车的时间表。但是，电动汽车的充电时间长而续航里程又不及燃油车一直是其被人诟病的短板。电动汽车对轻量化需求更迫切！




资料来源：光大证券研究所整理
禁售燃油汽车时间表

八 . 国内外厂家



九 . 结语

随着世界各国汽车排放标准的愈加严格以及节能减排力度的加强，各汽车厂家将会在汽车轻量化领域投入越来越多的精力并加强新型轻量化技术的运用。汽车塑料的应用已由普通装饰件开始向结构件、功能件方向发展，而塑料材料也随着相关企业的更深层次的开发而最终形成更高质量、更具成本竞争力以及满足更多严苛要求的方案。