汽车轻量化中的化工材料运用现状、存在问题及建议

青灯古酒 2021-05-06 17:23:26

汽车轻量化中的化工材料的运用分析


汽车产品发展过程,先后经历了独立产品生产制造、流水线作业生产制造、工业产业链条生产制造三个主要时期。每个时期的发展中,都以科学技术与管理技术在汽车产品生产制造中的运用作为促进因素。现阶段,汽车产品已经呈现出多元动力发展趋势,形成了柴油、汽油、油气混合、天然气、甲醇、电力、新能源等,多种动力在汽车产品生产制造中的应用。


其中,新能源汽车在当前的发展相对“火爆”。另外,随着新材料的出现及应用,汽车制造产业正在经历新的变化,在多重发展路径中,化工材料资源与汽车轻量化设计方案已逐渐占据主导地位。


1汽车轻量化概述


在诸多汽车产业发展路径中,汽车轻量化有利于提高汽车节能水平,增强其应用方面的加速性能与操控性能,为汽车轻量化产品使用用户提供全新、舒适的驾驶体验。使汽车轻量化发展成为了汽车整体产业转型升级中的一条新路径,既可以满足生态文明建设需求,也与我国汽车制造业的转型升级方向趋于一致。所以,其发展前景相对客观[1]。近年来,我国汽车工业围绕节能减排的目标,开发了许多新技术。

汽车轻量化中的化工材料运用现状、存在问题及建议

采用高分子材料等新型化工材料替代钢材,从而实现汽车的轻量化,取得了不菲的成就。从汽车轻量化实现方法看,一方面,它与我国汽车行业整体上的“工业设计能力”提高密切关联。另一方面,新材料的研发设计与化工材料在汽车各大部位的应用已呈现出多元化趋势。所以,在汽车结构设计与化工材料研发应用的共同作用下,有利于汽车轻量化的全面实现与发展。


2汽车轻量化中的化工材料运用现状分析


下面从汽车轻量化中的化工材料运用现状,对汽车轻量化中的化工材料与其使用位置及其功能等展开分析。


汽车轻量化中应用的化工材料,主要以塑料、复合材料为准。在塑料方面,以工程塑料居多,如尼龙、高端聚烯烃、聚碳酸酯等。在复合材料方面,以树脂基纤维增强材料为主,如碳纤维类的高性能纤维、环氧树脂类的热固性树脂材料应用等。


而且,复合材料大多属于高分子材料,其材料成型加工与应用,也能够以具有“质量体系管理标准”特征的工艺流程进行生产制造。并且,实现“个性化订制生产”目标。此类材料在汽车轻量化生产要素层面的比较优势,集中体现在“技术含量高”“功能性强”“性能优异”“质量轻薄”等方面。


从当前化工材料在汽车轻量化中的运用现状分析,其运用已经涉及到整个汽车实体。比如,在动力系统零部件中的运用、在车窗零部件中的运用、在内饰与外饰中的运用、在车身中的运用等,几乎涵盖了整体汽车组成要素。以汽车轻量化中应用相对普遍的塑料为例,已经实现了40个部位的具体应用[2]。

汽车轻量化中的化工材料运用现状、存在问题及建议

以车身中的化工材料运用现状为例,在“白车身”和“车身覆盖件”主体结构中,已获得有效应用。比如,在“白车身”方面,以工程塑料、CFRP—碳纤维复合材料为主的轻量化应用,主要集中于受力结构加固。典型的宝马7系列汽车中,在骨架加固件的材料选择方面,即以CFRP—碳纤维复合材料为准。


具体而言,在钢材为主体的基本骨架基础上,将CFRP—碳纤维复合材料应用到了车顶横梁、C柱和A柱加固件、行李舱和室内隔断等个别部位。从应用效用看,车体骨架减轻量约为40 kg、整体车型减轻量约在130 kg。另外,在B柱中对尼龙塑料加强件的使用,也可以使整体减轻量达到2.9 kg。


再如,宝马i3系列中,对于CFRP—碳纤维复合材料的大量应用,就是在宝马i7系列减轻量数据基础上,进一步将减轻量,提高到了250 kg到350 kg范围,其平均减轻量也达到了300 kg左右。


3汽车轻量化中的化工材料用量分析


从汽车轻量化发展路径中的化工材料用量情况看,一方面,主要通过化工新材料逐渐替代钢材料,形成了“以塑代钢”的基本使用方式。以PP—聚丙烯为例,主要是通过对其四大比较优势的有效发挥,借助“耐久”“外观”“环保”“性能”功能特性,实施“以塑代钢”方案。另一方面,在现阶段汽车轻量化中的化工材料应用基础上,将原来的多元化应用,逐渐转向“专需专用”,更加强调不同部位中,“最适合”的化工新材料运用。


以PE—聚乙烯应用为例,相对集中的应用于燃油箱,属于汽车油箱“专需专用”范畴。因此,化工材料在汽车轻量化实践中的运用,既有多元化特征,也强调其应用的针对性与应用效用的最大化。


根据北京石油和化学工业规划院,2019年1月发布的“中国车用塑料量分析及预测”数据看,我国汽车轻量化中的化工材料用量相对较大,以“中国制造2025”中的关键时间节点—2017年、2020年、2025年为准,PE—聚乙烯在三个年份中,汽车领域消耗量约为10万t、20万t、22万t;PP—聚丙烯在三个年份中,对应数据分别为190万t、210万t、280万t;PA—尼龙对应数据分别为23万t、30万t、50万t。不同塑料材料在我国汽车中的用量分析与预测如表1所示。

汽车轻量化中的化工材料运用现状、存在问题及建议

表1中国车用塑料量分析与预测单位:万t


结合以上数据分析及预测结果看,我国汽车轻量化路径下的汽车产业转型,具有一定的发展前景。并且,对于化工材料的运用,也趋于多元化应用与专用化应用相结合的方向。然而,这种以车用塑料消耗量为单一指标的分析与预测结果,仍然不能反映出汽车轻量化中的化工材料运用问题。因而,有必要对化工材料在汽车轻量化运用中存在一些问题,做进一步分析[3]。


4汽车轻量化中的化工材料运用问题


首先,从汽车轻量化对化工材料的“需求侧”,和化工材料的“供给侧”分析,二者之间存在“非均衡性”。一方面,基于化工材料的相关产品研发设计相对滞后,在化工“新材料”方面仍存在“短板”。由此造成了初级化工材料供给量大,新型材料供给量不足。另一方面,在满足汽车轻量化对化工材料的运用需求方面,初级化工材料存在生产过剩问题;而在高分子合成材料,以及相对较新的化工材料方面,却无法满足汽车工业轻量化发展需求。


比如,PC、PA产品自给率,分别为35%、50%,虽然有可拓展空间与可营利空间,由于缺少创新性的研发设计产品出现,造成了其应用限制。而且,存在工程塑料方面的改性产品问题。通过参与国际同业竞争,可以对比出其使用性能,仍有可改善与提升之处。


其次,化工材料的系列产品,在质量体系管理标准建设方面,存在一定不足,导致了产品系列应用方面的“非标准化”。


同时,在生产工艺和汽车轻量化市场化订制需求方面,存在一定差异,易引发“订单处理”后,生产与应用脱节现象。尤其在当前,大数据技术已经应用到了汽车轻量化产业之中,对于各项化工材料应用数据的持续性分析,基本能够确定其产品系统性较差的论断。


从原因方面看,主要是在汽车产业初步转型后,对新型汽车产品生产制造产业链条的全面分析不足,导致了化工材料研发设计,与汽车轻量化发展之间的“非对应性”[4]。在具有突破性的新材料研发方面,由于“缺新”,未能建立有效的“材料引领发展”模式。


5汽车轻量化中的化工材料运用建议


为了化解以上问题,应该吸收汽车轻量化产业发展中,创建的“产业链思维”。将汽车轻量化中运用的化工材料,一个专业项目。然后,运用现代产业链中的“6+1”模式、“4+1”模式,增强化工材料的研发设计。


比如,在当前大数据应用条件下,就可以按照“订单处理+工艺优化+生产制造+售后服务”四大主要环节,实施一体化的化工材料生产制造,使其与我国汽车轻量化发展中的“订制化需求”对应起来,建立起相对均衡的“需求—供给”关系。


再如,从化工材料产品创新发展的角度,结合总体经济体系框架提出的“系统性思维”,运用“产业链生产制造+系统性生产管理”的基本方式,按照“化工新材料研制项目立项、产品设计、材料生产、订单处理、市场销售、售后服务”的“6+1”模式,逐渐开发化工新材料,并结合当前我国同业质量体系管理标准,解决其系列产品系统性差的问题[5]。


另外,应该从“中国制造2025”工业战略视角,发展以专门化为汽车轻量化服务的化工材料产业,通过产业链条上的资源优化配置,逐渐在增强自身化工材料自给率的同时,扩大化工材料产业的快速发展,在整体上匹配汽车轻量化产业。


6结语


综上所述,一方面,应该在汽车轻量化发展过程中,对化工材料运用位置、材料运用量、材料运用问题进行全面解析。另一方面,应该从国际市场与国内市场的“双重透视角度”,重视汽车轻量化中国际同业研究前沿中的新材料研发设计与应用情况,尽量在“同级发展水平”下,通过“大数据”对我国汽车轻量化方面的材料实施数据分析,为新材料的研发设计和常规化工材料的运用,提供相对精准的工艺参数,扩展我国汽车产业在轻量化发展路径中的化工材料应用效用。


来源:期刊-《化工管理》

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