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汽车轻量化背景下塑料的应用及其电镀工艺_吴志强.pdf
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汽车 量化 背景 塑料 应用 及其 电镀 工艺 吴志强
Plating and FinishingApr.2023Vol.45 No.4 Serial No.361汽车轻量化背景下塑料的应用及其电镀工艺吴志强1,蔡春芳1*,齐锐丽2,马 勇1(1.汉中职业技术学院 汽车与机电工程学院,陕西 汉中 723000;2.陕西航空职业技术学院 机械工程学院,陕西 汉中 723000)摘要:汽车轻量化是实现节能减排的有效途径,对汽车工业及人类的可持续发展有着重要意义。塑料是汽车轻量化材料中的关键非金属材料,用量逐年增长,并呈现出以塑料代钢的趋势。而塑料电镀工艺的发展与应用,进一步丰富了塑料在汽车上的应用,加速了汽车轻量化的进程。本文介绍了汽车轻量化背景下车用塑料的概况,阐述了碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维增强塑料在汽车轻量化上的应用与发展,并在分析车用塑料Cu/Ni/Cr电镀工艺的基础上,阐明了直接电镀工艺的优势及发展方向。关键词:汽车轻量化;纤维增强塑料;电镀工艺;应用中图分类号:TQ153.3文献标识码:AApplication and electroplating process of plastics under the background of automotive lightweightWu Zhiqiang1,Cai Chunfang1*,Qi Ruili2,Ma Yong1(1.School of Automotive and Mechatronics Engineering,Hanzhong Vocational and Technical College,Hanzhong 723000,China;2.School of Mechanical Engineering,Shaanxi Aviation Vocational and Technical College,Hanzhong 723000,China)Abstract:Automobile lightweight is an effective way to achieve energy saving and emission reduction,which is of great significance to the sustainable development of automobile industry and human beings.Plastic is one of the key non-metallic materials in automotive lightweight materials,and its consumption has been increasing year by year,showing a trend of replacing steel with plastic.The development and application of plastic electroplating technology has further enriched the application of plastics in automobiles and accelerated the process of automobile lightweight.This paper introduces the general situation of automobile plastics in the background of automobile lightweight,expounds the application and development of carbon fiber,glass fiber,basalt fiber reinforced plastics in automobile lightweight,and on the basis of analyzing the Cu/Ni/Cr electroplating process for automobile plastics,expounds the advantages and development direction of direct electroplating processKeywords:automobile lightweight;fiber reinforced plastics;electroplating process;application据中国汽车工业协会与公安部数据统计,2021年我国汽车产量 2608.2 万辆,全国汽车保有量达3.02亿辆。汽车工业的迅猛发展,为经济注入了强大活力,极大改善人们的生活方式,同时也让能源问doi:10.3969/j.issn.1001-3849.2023.04.014 收稿日期:2022-11-16 修回日期:2023-01-06 作者简介:吴志强(1985),男,学士,讲师,email: *通信作者:蔡春芳(1977),女,硕士,副教授,email:88第 45 卷 第 4 期(总第 361 期)2023 年4 月电 镀 与 精 饰题和环境问题日益严峻。面对全球能源紧缺与环境污染的问题,各国都在通过技术标准和法规不断严格汽车排放与燃料消耗量。根据工业和信息化部的数据,目前欧盟、美国、日本乘用车每百公里油耗标准目标分别为3.8 L、6 L、4.9 L,而我国制定了传统能源乘用车每百公里平均油耗量2025年5.6 L、2030年到达到4.8 L的目标。研究表明,汽车轻量化是减少排放污染和节约燃油的一种有效途径。燃油车自重每降低10%,燃油消耗可下降6%8%,CO2排放则可降低5%6%;而电动汽车重量减少10%,电动里程则可以增加约14%1-2。2020年10月,我国 节能与新能源汽车技术路线图2.0 发布,汽车轻量化技术作为重点领域,制定了整车轻量化系数总体目标,其中燃油乘用车与纯电动乘用车整车轻量化系数到2035年较2020年分别降低25%与35%3。汽车轻量化可以通过优化结构设计、轻量化材料和先进制造工艺来实现,其中轻量化材料不仅可以直接降低汽车重量,还可以通过优化设计实现二次减重。塑料重量轻,耐腐蚀性好,易于加工成型,其比重远低于钢、铝等金属材料,是用量最多的汽车轻量化非金属材料4-5。电镀是塑料表面金属化的典型工艺,不仅可以使塑料制件具有金属质感,提高了装饰性、舒适性,更能改善塑料件表面耐热、耐候、耐腐蚀等性能,极大地丰富了塑料在汽车上的应用,加速了汽车轻量化进程6-7。本文介绍了汽车轻量化背景下车用塑料的概况,总结了碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维增强塑料在汽车轻量化中的应用,综述了车用塑料Cu/Ni/Cr电镀工艺的研究与应用现状,并对塑料表面直接电镀工艺进行了分析与展望。1塑料在汽车轻量化中的应用1.1车用塑料的概况塑料凭借其优异的综合性能和价格优势备受汽车行业的青睐,近年来车用塑料消费量不断攀升,并呈现出以塑代钢的趋势。据国际市场资讯机构统计分析,2021年全球车用塑料市场需求已达到750万吨,未来10年车用塑料市场规模预计将以9%的年复合增长率增长。同时,汽车的单车塑料用量也呈现出快速增长的趋势,塑料在汽车整备质量中的比例从1970年的6%增加到2010年的16%,到2020年达到18%8。单车塑料用量已成为衡量汽车设计与制造水平高低的一个重要标志,德国的单车平均塑料用量高达300 kg,占汽车整备质量的22.5%,而我国单车平均塑料用量仅占7%10%,与发达国家相比尚有一定的差距9-10。在车用塑料中,通用塑料如聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)等,价格较低,用量较高;其次是工程塑料如尼龙/聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚酯(PET)等,特种塑料如聚苯醚(POB)、聚砜(PSU)、聚醚醚酮(PEEK)等,价格较高,用量相对较少。其中PP、PU、PVC、ABS、PA、PC等,是用量最多的几个塑料品种11-13。塑料作为关键的汽车轻量化材料,不仅可以有效降低零部件的重量,还可以实现复杂零件的注塑成型,提高生产效率。塑料已广泛应用于汽车内外饰件、结构件及功能件。1.2车用纤维增强塑料随着汽车轻量化进程的飞速发展,车用塑料迎来了高强度、高阻燃、高韧性、耐高温、抗冲击等更为严苛的性能挑战。通过填充、共混、增强等方法对通用塑料和工程塑料加工改性成为提高车用塑料性能的主要途径,其中尤以纤维增强塑料最具发展潜力。纤维增强塑料不仅具有比强度和比模量高、密度小、安全等级高等特点,还可以将汽车重量降低15%40%,碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维增强塑料在汽车轻量化上的应用成为了业内的焦点14-16。碳纤维增强塑料(CFRP)强度一般可以达到碳钢的3倍、铝合金的4倍,而在同等强度下,重量却只有钢的1/4,铝合金的1/2,是非常理想的汽车轻量化材料17。但因其成本较高,目前主要应用于高档汽车结构件及功能件,并取得了显著的轻量化效果。自主品牌前途汽车在苏州生产基地建有中国第一条碳纤维汽车零部件生产线,旗下K50纯电超级跑车车身采用了 29个 CFRP覆盖件。覆盖件重量仅有46.7 kg,相比高强度钢板材料减重40%,比铝合金材料减重20%以上18。张君媛等19采用CFRP替代某乘用车B柱钢材加强板,并对其尺寸和铺层顺序进行了优化,减重率高达78.97%。ARRK Engineering公司20开发了一款CFRP电动汽车齿轮箱壳体,相比原来的铝合金壳体轻30%左右。2021年3月,巴斯夫推出全新Ultramid Advanced碳纤维增强PPA塑料,可用于制造车身、底盘和动力总成结构件,能实现减重25%30%而不降低刚度和强度,成为替代镁、铝的车用碳纤维增强塑料标杆。89Vol.45 No.4 Serial No.361Plating and FinishingApr.2023玻璃纤维增强塑料(GFRP)具有耐腐蚀性强、介电性和热性能良好、设计灵活等特性,在汽车上的应用十分广泛。与短玻纤维增强塑料相比,长玻纤维增强塑料中的纤维较长且分布均匀,具有力学性能高、抗冲击好、耐疲劳等诸多优点,特别是长玻纤维增强聚丙烯(PP-LGF)是车用轻量化 GFRP 材料中应用前景最好的品种21-22。李晓雄等23将40%玻纤质量分数的长玻纤维增强PP应用于汽车翼子板,通过测试发现,该材料减重的同时满足了性能的需求。蒋艳云等24对长玻纤增强PP在发动机装饰罩盖上的应用进行了研究,采用 PP-LGF30材料可满足工作条件,同时减重 22%以上,材料成本降低23%36%。邵萌等25对 PP-LGF 材料汽车尾门与金属尾门进行了对比研究,发现通过优化设计PP-LGF材料完全可以达到金属尾门的结构强度要求,可实现减重约30%。2020年8月,北欧化工向北美汽车市场提供其Fibremod品牌的玻璃纤维增强PP牌号,可以给车前端、尾门、仪表板和中控台支架带来更轻质、强度更高和耐冲击的性能。北欧化工制定的方案,以实现减重和工艺成本节约为目标,处于汽车制造业的前沿。玄武岩纤维增强塑料(BFRP)的纤维由玄武岩石料在14501500 熔融后高速拉制而成,是一种新型无机环保高性能纤维材料,不仅强度高,而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能。玄武岩纤维比碳纤维成本低、实效应变高,与玻璃纤维某些性能相似,但成分更加复杂且具有更高的弹性模量和强度26。玄武岩纤维与诸多聚合物基质都能良好相容,因其是一种天然无污染、无添加剂的环保纤维,成为汽车轻量化新材料的研究热点。德国爱达克(EDAG)公司曾推出Light Car轻型概念车,车身采用玄武岩纤维材料打造,比选用玻璃纤维材料减重30%,还可以百分百回收再利用,环境污染降至最低27。湖南大学谷永强28对玄武岩纤维增强PP汽车内饰件性能进行研究,发现玄武岩纤维在轻量化的前提下,能有效提高PP的阻燃性,改善车门内饰板的刚度与尺寸稳定性。吉林大学徐森29对不同材料的汽车前防撞梁进行了对比研究,玄武岩纤维复合材料

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