有機玻璃對新能源汽車的影響

有機玻璃對新能源汽車的影響有機玻璃對新能源汽車的影響 2016/05/19 塑料科技志2016年第五期摘要：將有機玻璃與傳統(tǒng)無機玻璃進行對比，分析了有機玻璃應用發(fā)展現(xiàn)狀和性能特點，同時介紹了有機玻璃在新能源汽車中的應用，最后以車窗為例，對有機玻璃的性能進行了測定。結(jié)果表明：除聚碳酸酯玻璃外，有機玻璃和無機玻璃的耐磨性均符合ECER43關(guān)于安全玻璃材料認證的統(tǒng)一規(guī)定，另外這三種材料的抗沖擊性均符合規(guī)定，且施加涂層能增強玻璃材料的耐磨性，但對其強度影響很?。徊捎糜袡C玻璃作為車窗材質(zhì)的汽車內(nèi)平均計權(quán)隔聲量比無機玻璃更低，且在人耳能聽到的低頻段，有機玻璃的隔聲性能更好。關(guān)鍵詞：有機玻璃；輕量化；新能源汽車新能源汽車是指利用新型能源作為動力源，結(jié)合驅(qū)動控制等方面的先進技術(shù)形成的具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車1。在我國，新能源汽車一般包括純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車等2。研究表明，汽車重量與其能源消耗關(guān)系密切，汽車自重每減少10%，其能源消耗可降低8%左右，同時尾氣排放量可降低4%左右，因此汽車輕量化技術(shù)是實現(xiàn)汽車節(jié)能、環(huán)保、安全等發(fā)展目標的重要新技術(shù)3-4。為達到汽車輕量化目的，一般可采取選擇新材料和新技術(shù)兩種途徑。隨著新能源汽車工業(yè)的發(fā)展，這兩種途徑在方法上均有了多種選擇，且其技術(shù)日趨成熟。其中新材料包括鎂鋁合金、工程塑料等；新技術(shù)包括設(shè)計模塊化、激光焊接技術(shù)、液壓成型技術(shù)等5-6。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)俗稱有機玻璃，是一種可回收利用的熱塑性工程塑料，具有密度低(1.151.19g/cm3)、機械強度高、熔點低（130140）、透光率高、易加工等優(yōu)點。采用PMMA及其復合材料作為汽車車身和零配件材料，包括側(cè)三角窗、燈罩、保險杠等，可有效減輕汽車自重，達到降低能耗和尾氣排放量的目的7-8。本文基于新能源汽車節(jié)能環(huán)保的需求，結(jié)合有機玻璃在汽車零配件上的應用，以汽車側(cè)窗為例，對有機玻璃在新能源汽車中的應用及性能進行探討。1有機玻璃應用發(fā)展現(xiàn)狀1.1有機玻璃應用現(xiàn)狀有機玻璃由美國化工品和塑料產(chǎn)品生產(chǎn)公司Rohm-Haas于1927首次工業(yè)化生產(chǎn)。有機玻璃由甲基丙烯酸甲酯(MMA)單體聚合而成，無毒環(huán)保、性質(zhì)穩(wěn)定、不易脆裂，其透光率(92%)是所有合成透明材料中最高的；同時有機玻璃破碎后不會產(chǎn)生尖銳碎片，因而被廣泛應用于食品包裝、建筑、汽車制造、航空航天等領(lǐng)域9。本世紀以來，有機玻璃材料市場日益擴大，平均每年生產(chǎn)量超過150萬t1，同時許多發(fā)達國家已作出強制性規(guī)定，校園內(nèi)建筑用玻璃必須統(tǒng)一使用有機玻璃，我國制造業(yè)和城市建設(shè)中也逐漸用有機玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃。有機玻璃材料最先應用于航空航天領(lǐng)域。由于具有良好的柔韌性、抗老化性、安全性，機械強度高，廣泛應用于飛機擋風玻璃及其他透明零部件中。另外在新能源汽車制造方面，由于新能源汽車對車身重量具有嚴格要求，歐洲大部分汽車制造商已采用有機玻璃作為汽車側(cè)邊和后邊擋風玻璃材料，并出臺相關(guān)法律，規(guī)定玻璃材質(zhì)的性能要求、檢測方法和分類標準。在國內(nèi)，新能源汽車的市場規(guī)模不斷擴大，導致各大汽車制造商也開始關(guān)注有機玻璃在擋風玻璃及其他配件上的應用。1.2傳統(tǒng)玻璃與有機玻璃性能對比傳統(tǒng)汽車窗玻璃一般采用由硅酸鹽類材料制成的無機玻璃。硅酸鹽類化合物在高溫條件下形成連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，冷卻后硬化切割，形成具有一定黏度和形態(tài)的非金屬材料，該材料同時具有耐高溫、阻燃、成本低等優(yōu)點。有機玻璃則由高分子材料通過注塑、擠出或澆注成型，其化學本質(zhì)為塑料制品，所以韌性、強度及重量均優(yōu)于無機玻璃。將3種常用玻璃材料進行對比，結(jié)果如表1所示，其中聚碳酸酯(PC)是一種以碳酸酯基單體為原料的高分子聚合物，為目前最常用的熱塑性通用工程塑料之一。從表1可以看出，有機玻璃在作為車窗玻璃最重要的性能特點(透明度和強度)和作為汽車其他配件最重要的性能特點(輕量化和剛性)整體上優(yōu)于PC材料和無機玻璃，其他方面如加工成型性和耐磨性等也比較優(yōu)良，由此可知，有機玻璃是新能源汽車零配件的首選材料。2有機玻璃在新能源汽車中的應用2.1新能源汽車車窗玻璃汽車車窗按其結(jié)構(gòu)可分為夾層型和鋼化型，按位置可分為前、側(cè)、后擋風玻璃及天窗玻璃。為了營造良好的駕車視野和行車安全環(huán)境，汽車窗玻璃一般應滿足透光、抗沖擊、耐候和碎片少的需求。有機玻璃不僅能很好地滿足以上要求，同時還具有抗紫外線輻射的作用，避免車內(nèi)人員處于長期曝曬狀態(tài)。另一方面，可利用有機玻璃材料良好的光學性能制成汽車外罩，保護車身整體不受紫外線侵蝕，同時不影響駕車視野。2.2新能源汽車其他配件除車窗玻璃外，有機玻璃在新能源汽車中的應用還包括汽車的其他配件，如車尾燈燈罩、高光澤裝飾物、汽車保險杠等。有機玻璃材料因具有質(zhì)輕、易著色、美觀等優(yōu)點而廣泛應用于新能源汽車車尾燈燈罩；因具有抗刮擦、表面光澤度高、硬度高等優(yōu)點而廣泛應用于新能源汽車高光澤裝飾物。另外，有機玻璃與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)共混制成的PMMA/ABS復合材料，可用于制造新能源汽車保險杠，該復合材料同時具備ABS的抗沖擊、耐溫性好、電氣性佳、易噴鍍等優(yōu)點以及有機玻璃的抗劃傷、不易褪色、環(huán)保等優(yōu)點，適合作為對材質(zhì)有高質(zhì)量要求的產(chǎn)品，同時成本較鎂鋁合金等材料更低。3有機玻璃作為車窗材料的性能試驗和仿真分析汽車車窗是占汽車整體比重較大的配件之一，同時也是以玻璃材質(zhì)作為原材料的部件，所以使用低密度、質(zhì)量輕的材料作為車窗玻璃可有效降低汽車整體重量。因此本文對有機玻璃材質(zhì)的性能進行研究，同時結(jié)合新能源汽車車窗進行性能試驗和仿真分析。3.1有機玻璃性能測試測試材料：(1)含涂層有機玻璃，厚度4mm；(2)有機玻璃(無涂層)，厚度4mm；(3)PC玻璃，厚度4mm；(4)無機玻璃，厚度4mm。測試儀器：磨耗儀，5135，美國Taber公司；拉力器，GT5769-01，深圳奇裕橡膠有限公司。測試方法：(1)耐磨試驗將樣品置于磨耗儀上，以相同的力作用于樣品表面，使其連續(xù)摩擦1000次，測定其霧度；(2)抗沖擊試驗將樣品放置于地面，四角墊起，將質(zhì)量為0.5kg的鋼球置于樣品水平上方2m處直接落下，觀測其破碎程度。由于我國尚未出臺相應法規(guī)對汽車車窗性能進行硬性規(guī)定，本文采用國際相關(guān)法規(guī)ECER4310作為性能要求評價標準。將以上試驗重復5次取平均值，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，PC玻璃連續(xù)摩擦1000次后，霧度為2.2%，大于ECER43法規(guī)中規(guī)定的2%，因此其耐磨性不符合車輛玻璃材料安全規(guī)定要求，而其他材料連續(xù)摩擦1000次后霧度均低于2%，其耐磨性符合規(guī)定要求，其中含涂層有機玻璃的霧度低于不含涂層有機玻璃。另外PC玻璃的抗沖擊性(抗破碎強度)最高，有機玻璃次之，無機玻璃最差，但這3種材料均符合ECER43法規(guī)中對玻璃抗沖擊性(抗破碎強度)的規(guī)定要求，其中有無涂層對有機玻璃的抗沖擊性基本沒有影響。3.2有機玻璃車窗仿真分析選取以有機玻璃作為車窗材質(zhì)的某A級新能源汽車和以無機玻璃作為車窗材質(zhì)的另一A級汽車進行現(xiàn)場仿真模擬實驗，分別對其車窗運動偏差和聲學性能進行研究。測試儀器：三坐標測量儀，GA1703，美國micro-vu公司；手持式數(shù)字分貝測試器，T325，珠海天創(chuàng)儀器有限公司。測試方法：(1)運動偏差試驗在玻璃窗上選取4行8列平均分布的點，分別從1到32進行標記，使用三坐標測量儀測定汽車以60km/h行駛時車窗與車框的偏差值；(2)隔聲試驗將分貝測試器放入車內(nèi)，關(guān)閉所有車窗，在距車2m處發(fā)出音量70dB、頻率05000Hz的聲音，測試車內(nèi)不同頻率下的音量。運動偏差測試結(jié)果如圖1所示，隔聲性能測試結(jié)果如圖2所示。圖1中，圓點對應的縱坐標代表該位點的位置偏差，圓點處線段的長短代表該處運動偏差值的大小。從圖1可以看出，無機玻璃不同點線段長度均長于有機玻璃線段長度，表明采用無機玻璃作為車窗材質(zhì)的汽車運動偏差大于有機玻璃材質(zhì)，在運動過程中更易與汽車其他部件如密封條、窗框等發(fā)生偏差干涉問題。從圖2可以看出，采用無機玻璃作為車窗材質(zhì)的汽車內(nèi)平均計權(quán)隔聲量11為26.4dB，音量減小了43.6dB(隔聲試驗發(fā)出音量為70dB)；采用有機玻璃作為車窗材質(zhì)的汽車內(nèi)平均計權(quán)隔聲量為24.1dB，音量減小了45.9dB。另外由文獻12可知，人耳對于低頻段聲音更敏感，而有機玻璃在低頻段隔聲性能較好，在高頻段隔聲性能則有所下降。4結(jié)論新能源汽車的發(fā)展對汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、工藝操作均提出了更高的要求，其中有機玻璃因具有優(yōu)良的力學性能、聲學性能等使其在新能源汽車包括車窗等部分零配件材質(zhì)的應用范圍越來越廣。本文針對有機玻璃材質(zhì)在新能源汽車上的應用，并以車窗為例，對其性能進行研究，結(jié)果表明：(1)有機玻璃材料在新能源汽車上的應用十分廣泛，包括車窗玻璃、車尾燈燈罩、高光澤裝飾物、汽車保險杠等；(2)有機玻璃比PC玻璃和無機玻璃更適合作為汽車配件材料；(3)將有機玻璃進行涂覆可降低其霧度，使其更符合新能源汽車對于車窗耐磨性的要求，同時有機玻璃的抗沖擊性符合ECER43要求，但有無涂層對其強度幾乎沒有影響，另外有機玻璃破碎時不會產(chǎn)生尖銳碎片，給乘車人員提供一定安全保障；(4)有機玻璃作車窗時，汽車的運動偏差較小，隔聲效果較好，表明使用有機玻璃作為汽車配件材料能夠在減輕車身重量的同時滿足汽車性能要求。參考文獻：1張琳,陳曉峰.PMMA有機玻璃在汽車側(cè)三角窗上的應用研究J.上海汽車,2013,17(11):56-59.2周文.汽車用有機玻璃(PMMA)老化性能的熱重分析法(TGA)J.塑料科技,1992,21(1):45-47.3彭成允,鄧明,廖仁飛.有機玻璃晴雨擋的成型工藝及質(zhì)量控制J.模具工業(yè),2001(12):49-50.4張官理,張振,張定國,等.有機玻璃板材高低溫力學行為試驗研究J.材料導報,2011,31(1):360-361.5黃冬林,楊永強,楊勝男,等.振鏡掃描式光纖激光焊接有機玻璃工藝研究J.塑料工業(yè),2009,37(9):43-45.6劉利平,譙萬成,王樹民.汽車標牌、標徽生產(chǎn)工藝及開發(fā)流程簡介J.汽車工藝與材料,2006,24(3):21-24.7哲明.我國塑料和橡膠在汽車工業(yè)中應用前景廣闊J.石化技術(shù)與應用,2000,18(3):31-35.8王繼東,程佳.甲基丙烯酸甲酯生產(chǎn)技術(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