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              行業技術
              有機玻璃在新能源汽車中的應用

              新能源汽車是指利用新型能源作為動力源,結合驅動控制等方面的XJ技術形成的具有新技術、新結構的汽車。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。研究表明,汽車重量與其能源消耗關系密切,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是實現汽車節能、環保、放心等發展目標的重要新技術。為達到汽車輕量化目的,一般可采取選擇新材料和新技術兩種途徑。隨著新能源汽車工業的發展,這兩種途徑在方法上均有了多種選擇,且其技術日趨成熟。其中新材料包括鎂鋁合金、工程塑料等;新技術包括設計模塊化、激光焊接技術、液壓成型技術等。


              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(1.15-1.19g/cm3)、機械強度高、熔點低(130-140℃)、透光率高、易加工等優點。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。


              本文基于新能源汽車節能環保的需求,結合有機玻璃在汽車零配件上的應用,以汽車側窗為例,對有機玻璃在新能源汽車中的應用及性能進行探討。


              1 有機玻璃應用發展現狀


              1.1 有機玻璃應用現狀


              有機玻璃由美國化工品和塑料產品公司Rohm-Haas于1927次工業化。有機玻璃由甲基丙烯酸甲酯(MMA)單體聚合而成,無毒環保、性質穩定、不易脆裂,其透光率(92%)是所有合成透明材料中高的;同時有機玻璃破碎后不會產生尖銳碎片,因而被廣泛應用于食品包裝、建筑、汽車制造、航空航天等L域。本世紀以來,有機玻璃材料市場日益擴大,平均每年量超過150Wt,同時許多發達已作出強制性規定,校園內建筑用玻璃須統一使用有機玻璃,我國制造業和城市建設中也逐漸用有機玻璃代替傳統玻璃。


              有機玻璃材料先應用于航空航天L域。由于具有良好的柔韌性、抗老化性、放心性,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邊和后邊擋風玻璃材料,并出臺相關法律,規定玻璃材質的性能要求、檢測方法和分類標準。在國內,新能源汽車的市場規模不斷擴大,導致各大汽車制造商也開始關注有機玻璃在擋風玻璃及其他配件上的應用。


              1.2 傳統玻璃與有機玻璃性能對比


              傳統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網狀結構,冷卻后硬化切割,形成具有一定黏度和形態的非金屬材料,該材料同時具有耐高溫、阻燃、成本低等優點。有機玻璃則由高分子材料通過注塑、擠出或澆注成型,其化學本質為塑料制品,所以韌性、強度及重量均優于無機玻璃。將3種常用玻璃材料進行對比,結果如表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重要的性能特點(透明度和強度)和作為汽車其他配件重要的性能特點(輕量化和剛性)整體上優于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良,由此可知,有機玻璃是新能源汽車零配件的選材料。


              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


              汽車車窗按其結構可分為夾層型和鋼化型,按位置可分為前、側、后擋風玻璃及天窗玻璃。為了營造良好的駕車視野和行車放心環境,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***能很好地滿足以上要求,同時還具有抗紫外線輻射的作用,避免車內人員處于長期曝曬狀態。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輕、易著色、美觀等優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***-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、易噴鍍等優點以及有機玻璃的抗劃傷、不易褪色、環保等優點,適合作為對材質有高質量要求的產品,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******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作為原材料的部件,所以使用低密度、質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的性能進行研究,同時結合新能源汽車車窗進行性能試驗和******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對汽車車窗性能進行硬性規定,本文采用國際相關法規ECER43作為性能要求評價標準。將以上試驗重復5次取平均值,結果如表2所示。


              從表2可以看出,PC玻璃連續摩擦1000次后,霧度為2.2%,大于ECER43法規中規定的2%,因此其耐磨性不符合車輛玻璃材料放心規定要求,而其他材料連續摩擦1000次后霧度均低于2%,其耐磨性符合規定要求,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)高,有機玻璃次之,無機玻璃差,但這3種材料均符合ECER43法規中對玻璃抗沖擊性(抗破碎強度)的規定要求,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******分析


              選取以有機玻璃作為車窗材質的某AJ新能源汽車和以無機玻璃作為車窗材質的另一AJ汽車進行現場******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;手持式數字分貝測試器,T325,珠海天創儀器有限公司。


              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,關閉所有車窗,在距車2m處發出音量70dB、頻率0~5000Hz的聲音,測試車內不同頻率下的音量。


              運動偏差測試結果如圖1所示,隔聲性能測試結果如圖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的汽車運動偏差大于有機玻璃材質,在運動過程中更易與汽車其他部件如密封條、窗框等發生偏差干涉問題。



              從圖2可以看出,采用無機玻璃作為車窗材質的汽車內平均計權隔聲量為26.4dB,音量減小了43.6dB(隔聲試驗發出音量為70dB);采用有機玻璃作為車窗材質的汽車內平均計權隔聲量為24.1dB,音量減小了45.9dB。另外由文獻可知,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 結論


              新能源汽車的發展對汽車結構設計、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的應用范圍越來越廣。


              本文針對有機玻璃材質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生尖銳碎片,給乘車人員提供一定放心保障;


              (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。


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