聚丙烯微孔發泡：我國新能源汽車經過近十年的研究開發和示范運行,已基本具備產業化發展基礎,電池、電機、電子控制、系統集成等關鍵技術取得重大進步,純電動汽車和插電式混合動力汽車開始具有規模的投放市場。先進內燃機、高效變速器、輕量化材料、整車優化設計、混合動力等技術和產品得到大力推廣,汽車平均燃料消耗量明顯降低。天然氣等替代汽車燃料基本成熟,并初步實現產業化,形成了一定的市場規模。當然,從總體上看,我國新能源汽車整車和部分核心零部件關鍵技術尚未突破,產品成本高,社會配套體系不完善,產業化和市場化發展受到制約。加之汽車節能核心技術尚未完全掌握,燃料經濟性與國際先進水平相比還有一定差距,節能型小排量汽車的市場占有率不高。

2016年發布的 《節能與新能源汽車技術路線圖》為我國新能源汽車的發展指明了方向,路線圖提出的未來發展總體目標之一是新能源汽車逐漸成為主流產品,汽車產業初步實現電動化轉型。新能源汽車技術路線見表1[1]。近幾年,我國乘用車銷量的增速呈現放緩趨勢,2018 年甚至出現了銷量下降。但是與此同時,新能源汽車銷量增速連年超過50%。我國乘用車與新能源汽車銷量對比如圖1所示,可見新能源汽車已經成為我國汽車工業的一個重要增長點[2-3]。

表1 新能源汽車技術路線

▲圖1 乘用車與新能源汽車銷量對比

2018年,我國加大開放力度,新能源產業面臨更多挑戰和機遇。如果在保證產品性能及質量的前提下大幅減輕產品整體重力,那么對新能源汽車而言將具現實意義。在新能源汽車領域,車體每減輕100 kg質量,將減少20%的電池成本;車體重力減輕10%,續航里程可增加5.5%左右[4]。除電動汽車外,產品輕量化對燃油汽車而言也同樣重要。燃油汽車整車重力每減輕10%,燃油消耗可降低6%～8%,排放可減少5%～6%。燃油消耗每減少1 L,二氧化碳排放量可減少2.45 kg[5]。由此可見,大力發展汽車輕量化技術對傳統汽車和新能源汽車的健康發展都具有積極的現實意義。

各大汽車空調企業在開發新能源汽車空調時,對產品的輕量化設計提出了更高的要求。為此,工程技術人員在新能源汽車項目上嘗試鈑金焊接框架、鉚接拼接框架、玻璃鋼一體成型框架等,雖然能使產品在一定程度上滿足輕量化設計要求,但是距離真正意義上的輕量化設計還較遠。針對上述情況,筆者將發泡聚丙烯材料應用在汽車空調框架中,替代傳統的鈑金焊接框架和玻璃鋼框架,以實現輕量化。

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發泡聚丙烯材料

發泡聚丙烯是一種環保材料,易發生β降解,便于回收利用,環境友好性優于其它泡沫材料,被稱為綠色泡沫[6]。發泡聚丙烯材料本身無毒無味,不吸水,具有一定的強度,彎曲強度為714 kPa,是一種新型抗壓緩沖泡沫塑料[7-8],使用溫差寬,有很好的耐熱性,形狀恢復穩定性好,受多次連續撞擊和撓曲變形后會很快恢復為原始形狀,不會產生變形[9]。

發泡聚丙烯產品為半硬質成形,具有適度的硬度和柔軟性,不會擦傷、碰傷與其接觸的物體。發泡聚丙烯顆粒密度為7 kg/m3～130 kg/m3,發泡倍數為8～45,密度可根據發泡倍數實現可異性設計。30倍發泡聚丙烯泡沫密度為31 kg/m3,是玻璃鋼密度的1/58、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料密度的1/34、鋁密度的1/98、鋼密度的1/250。由此可見,發泡聚丙烯在常見的結構材料中密度非常低。

市場上不同用途的發泡聚丙烯珠粒,價格為4萬元/t～8萬元/t,發泡聚丙烯成品樣品階段價格為50～60元/kg,具有較好的經濟效益。

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 汽車行業應用

優異的性能使發泡聚丙烯材料在汽車工業、包裝工業和建筑工業中得到了廣泛應用?；谳^好的抗沖擊性和能量吸收性,發泡聚丙烯可以用作汽車保險杠及緩沖包裝襯墊?；谳^高的耐熱性和表面柔順性,發泡聚丙烯可以用作微波爐的食品餐具?；诟吒魺嵝院湍芰课招?發泡聚丙烯可以用作建筑的保溫和隔聲材料[10]。發泡聚丙烯材料自身的密度隨著發泡倍數的變化而變化,發泡聚丙烯成型產品在汽車行業中的應用見表2。

表2 發泡聚丙烯成型產品在汽車行業中的應用

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 汽車空調框架應用

針對某一汽車項目的空調框架結構底盤,分別采用金屬拼接框架、玻璃鋼一體成型框架、發泡聚丙烯一體成型框架,進行分析。

4.1 金屬拼接框架

金屬拼接框架如圖2所示,底盤結構體積為2.4×107 mm3。傳統的金屬拼接框架主要分為鋁框架和鍍鋅板框架兩種。鋁的密度為2.7×103 kg/m3,底盤框架整體質量為64.8 kg。鍍鋅板的密度為7.85×103 kg/m3,底盤框架整體質量為188 kg。

▲圖2 金屬拼接框架

4.2 玻璃鋼一體成型框架

玻璃鋼一體成型框架如圖3所示,底盤結構體積為6.6×107 mm3。玻璃鋼的密度為2.0×103 kg/m3,底盤框架整體質量為132 kg。

▲圖3 玻璃鋼一體成型框架

4.3 發泡聚丙烯一體成型框架

上述兩類框架均無法明顯減輕整機產品的質量,如果采用發泡聚丙烯一體成型框架,那么在保證產品性能及結構強度的前提下,可以減輕整體產品質量。

發泡聚丙烯一體成型框架如圖4所示,底盤結構體積為22×107 mm3。采用密度為31 kg/m3的30倍發泡聚丙烯,底盤框架整體質量為7 kg。為了提高生產效率,降低安裝成本,可同時設計一款與框架匹配的上蓋結構,形成嵌入式裝配。假設上蓋結構體積與底盤一致,應用發泡聚丙烯材料,車載空調產品結構質量為14 kg。

▲圖4 發泡聚丙烯一體成型框架

鋁框架的價格約為3 000元,使用發泡聚丙烯材料,產品結構價格為840元,成本優勢顯而易見。汽車空調應用發泡聚丙烯材料案例如圖5所示。

▲圖5 汽車空調應用發泡聚丙烯材料案例