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近年來,全球汽車節(jié)能減排標準日益提高。隨著節(jié)能環(huán)保技術和輕量化技術快速發(fā)展,綠色汽車和節(jié)能減排已成為汽車工業(yè)發(fā)展的主題之一,汽車工業(yè)呈現(xiàn)環(huán)保化輕量化的趨勢。
汽車輕量化材料包括高強度鋼、輕質合金及高分子復合材料,在整個汽車制造中占比10%~15%。其中,由于密度低、性能優(yōu)異、加工簡易及可回收,“以塑代鋼”的輕量化高分子復合材料得到業(yè)界高度重視,已成為汽車零部件行業(yè)升級的重要方向。輕量化材料每替代金屬材料10%,車輛可整體減重5%,縮短慣性帶來的制動距離,提高車輛的駕駛安全性及操作性能、加速性能,減少車輛排放,展現(xiàn)了廣闊的應用前景。
本版專題介紹汽車輕量化材料的發(fā)展狀況及中國石化的貢獻,敬請關注。
新聞會客廳
嘉賓:集團公司石油化工領域首席專家 梁愛民
單位:北京化工研究院
問:汽車行業(yè)為什么要使用輕量化材料?
答:截至今年6月底,全國機動車保有量達4.26億輛,其中燃油車3.28億輛、新能源汽車1620萬輛,年耗油達2.5億噸。
汽車能耗的30%來自輪胎滾動阻力、40%來自行駛時的空氣阻力。汽車整車質量每減少10%,可降低燃油消耗6%~8%,減少二氧化碳排放4.5%,制動距離縮短5%,轉向力減少6%。輪胎滾動阻力每降低20%~30%, 可節(jié)油5%~7%,每百公里二氧化碳排放量可減少400克。
由此可見,汽車輕量化是降低能耗、減少碳排放的重要方向。尤其對新能源汽車而言,輕量化不僅可以節(jié)約能源,而且可以在電池容量相同的條件下增加汽車的續(xù)航里程、延長電池壽命,需求更加迫切。
問:汽車輕量化材料的市場應用情況如何?
答:加大輕量化材料應用力度已成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。據(jù)統(tǒng)計,目前輕量化材料在整個汽車制造中的平均占比為10%~15%。
輕量化材料的應用受到多種因素影響,包括材料的性能、成本、可靠性、大規(guī)模生產能力及市場需求等。
高端汽車和電動汽車通常更多地采用輕量化材料。例如,在一些高端豪華汽車和超級跑車中,輕量化材料的占比可能超過30%,甚至更高。
在傳統(tǒng)汽車市場,輕量化材料的應用程度相對較低。
隨著技術不斷發(fā)展和成本持續(xù)降低,預計輕量化材料在汽車制造中的應用程度會逐漸增加。據(jù)預測,到2030年,輕量化材料的應用占比有望在20%~30%。
問:在汽車行業(yè),有哪些輕量化材料已經(jīng)得到應用?
答:包括金屬輕量化材料,如鋁合金、高強度鋼和鎂合金,以及非金屬輕量化材料,如碳纖維復合材料和玻璃纖維增強塑料等。
汽車材質塑料化是當今汽車制造的一大趨勢。車用改性塑料質量輕、強度高,只有普通鋼材重量的15%~20%,比木材更輕,對汽車輕量化有極大的促進作用。復合材料具有比強度和比模量高、密度小、質量輕、強度高、安全等級高等優(yōu)點,是汽車輕量化的理想材料。汽車內飾件、外飾件、結構件和輪胎是輕量化材料應用的主要部件。
目前,汽車輕量化材料樹脂原料主要有PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PA(聚酰胺)、PU(聚氨酯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PC(聚碳酸酯)、PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯);復合材料主要有填充改性材料、發(fā)泡材料、纖維增強材料等。
纖維增強材料在“以塑代鋼”方面起到越來越重要的作用,主要有短纖維增強材料和長纖維增強材料(LFT)。LFT具有突出的力學性能,包括優(yōu)良的剛性和韌性,低收縮、高尺寸穩(wěn)定性和低翹曲性,極高缺口沖擊強度,與金屬相當?shù)臒崤蛎浵禂?shù),優(yōu)異的抗動態(tài)疲勞性能。未來汽車的車門、車頂、座椅部件、輪轂及汽車周邊結構件,都會更多地使用LFT。由于LFT可塑性強、強度高,未來甚至車身都會使用LFT。
常見的非金屬輕量化材料包括碳纖維復合材料、玻璃纖維增強塑料、聚合物復合材料、聚合物泡沫材料等,在汽車市場的應用將越來越廣泛。汽車制造商不斷探索和采用新的非金屬輕量化材料,以實現(xiàn)汽車的輕量化和性能提升。
當然,非金屬輕量化材料的應用仍面臨一些挑戰(zhàn),如制造成本、可靠性和大規(guī)模生產等,需要進一步研究和發(fā)展。
問:有哪些國際知名公司研發(fā)生產輕量化材料?
答:汽車輕量化材料具有較高的技術門檻和附加值,目前主要由國外化工巨頭和國內少數(shù)改性企業(yè)生產。如國外的沙特基礎工業(yè)公司、塞拉尼斯、科思創(chuàng)、蘭蒂奇、安特普、佳施加德士、巴斯夫、歐文斯科寧、蒂森克虜伯、阿塞洛米塔爾、利安德巴賽爾、薩博、肯聯(lián)、3M等公司。國內樹脂供應商主要為中國石化、中國石油,復合材料改性企業(yè)主要為金發(fā)、聚隆、普利特、中廣核俊爾、聚賽龍、匯通、道恩等企業(yè)。
絕大部分知名車企都開展輕量化研究、利用輕量化材料。對新能源車企而言,電池能量密度短期內較難提升,最大化減重成為增加續(xù)航里程的必然選項。
問:輕量化材料國產化替代情況如何?
答:國內車用改性塑料行業(yè)起步較晚,盡管有超過3000家改性塑料生產企業(yè),但年產能超過3000噸的只有70余家,過萬噸的寥寥無幾,大部分企業(yè)規(guī)模偏小,生產技術能力和質量保證能力欠缺,很難滿足高檔汽車的要求,高檔汽車專用塑料國產化程度低。
據(jù)統(tǒng)計,目前國內企業(yè)在車用改性塑料的市場占有率僅為30%~40%,進口替代空間巨大。
問:中國石化在輕量化材料方面有哪些貢獻?
答:中國石化依托在三大合成材料的產業(yè)和技術優(yōu)勢,聚焦“以塑代鋼”,通過“產銷學研用”24家單位協(xié)同攻關,取得5項基礎理論研究成果,開發(fā)出涉及9種35個牌號的合成材料成套工業(yè)生產技術、6類復合材料制備技術,并建成了工業(yè)生產示范線,相關產品已在燕山石化、揚子石化、鎮(zhèn)海煉化、石家莊煉化、茂名石化、上海石化等14家企業(yè)進行生產,并在超50家汽車零部件及整車企業(yè)試產了前端框架、碳纖維輪轂、門內護板、輪胎氣密層等29種汽車制件。總體技術處于世界先進水平,部分處于世界領先水平。
通過改進生產工藝和提高材料性能,中國石化生產的聚丙烯材料具有較好的強度、韌性和耐腐蝕性能,可用于制造汽車的內飾件、儀表板和門板等,幫助汽車降低重量、提高燃油效率。
中國石化生產的橡膠材料具有輕量化、耐磨、抗老化等特性,可用于汽車輪胎、密封件等部件。
中國石化所屬企業(yè)通過技術創(chuàng)新、設備升級和質量控制等手段,不斷提升產品質量和性能,滿足汽車行業(yè)對高性能、高品質材料的需求。同時,這些企業(yè)也積極參與國內外的合作項目,推動汽車輕量化技術的研發(fā)和應用。
問:輕量化材料的發(fā)展趨勢是什么?
答:輕量化材料潛力巨大。汽車材料向輕量化、環(huán)保、舒適感知、智能化、安全五個方面發(fā)展。微發(fā)泡、低密度、長玻纖等技術為汽車材料輕量化提供了創(chuàng)新解決方案。此外,碳纖維復合材料、玻璃纖維增強二維材料、玄武巖纖維復合材料也是未來的發(fā)展方向。(潘亞男 整理)
鎮(zhèn)海煉化:環(huán)保型車用聚丙烯成為標桿產品
日前,鎮(zhèn)海煉化1號聚丙烯裝置排產320噸M60RHI產品。“相比原來的產品,這個牌號韌性要強一點,是為下游企業(yè)量身定制的。”鎮(zhèn)海煉化合成材料部技術員戴文威說。
M60RHI產品具有“三高兩低”特性,即高熔指、高剛性、高韌性及低氣味、低VOCs,這類產品又被稱為環(huán)保型聚丙烯,主要用于汽車改性料。該批產品將定向銷往下游某塑料企業(yè),用來生產連續(xù)玻纖增強聚丙烯,可用于車門組合件、儀表骨架板、車身門板模塊、前端組件、座椅骨架、車頂板、蓄電池的托架及車胎架等。
環(huán)保型車用聚丙烯是鎮(zhèn)海煉化的拳頭產品,目前已生產M30、M50、M60、M100系列產品,M代表著熔指,熔指越高則原料流動性越強,不同熔指的環(huán)保型車用聚丙烯產品可用于汽車的不同部件。
2015年8月,鎮(zhèn)海煉化首次開發(fā)生產環(huán)保型車用聚丙烯M60RHC,此后項目研發(fā)團隊加強與國內知名改性塑料生產企業(yè)的技術交流,通過一系列攻關,不斷提升產品質量和排產量,根據(jù)不同客戶需求開發(fā)的M30、M50、M100等一系列牌號,大量應用于汽車改性料,尤其在低氣味方面居國內領先水平,成為市場標桿產品。2017年底,中國石化“十條龍”攻關項目——“環(huán)保型高剛高韌聚丙烯樹脂開發(fā)”順利通過鑒定。
今年,鎮(zhèn)海煉化專門成立創(chuàng)新創(chuàng)效攻關團隊,聚烯烴專家掛帥組織對環(huán)保型車用聚丙烯進行提質升級,解決了產品改性后沖擊性能衰減的問題,提高了剛韌平衡性,并進一步降低產品的氣味和VOCs。據(jù)統(tǒng)計,上半年該類汽車料已生產近2萬噸,全部發(fā)往下游客戶。(卞江岐)
燕山石化:穩(wěn)步增產汽車輕量化合成材料
近年來,輕量、舒適、綠色、環(huán)保成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向。在此背景下,燕山石化不斷擴大“以塑代鋼”汽車輕量化合成材料生產規(guī)模,今年產量已超兩萬噸。
燕山石化以市場需求為導向,充分發(fā)揮在高分子材料領域的產業(yè)、技術和人才優(yōu)勢,持續(xù)優(yōu)化產品的關鍵性能指標,以滿足市場對產品更高性能的要求。
燕山石化在氣相法聚丙烯生產裝置上利用氫調法成功開發(fā)出高流動共聚聚丙烯,系列產品具有良好的常、低溫抗沖擊性能,兼具較高剛性,廣泛應用于汽車保險杠和內飾件等零部件領域。與降解法生產的產品相比,該系列產品流動穩(wěn)定性好,揮發(fā)性有機物(VOCs)含量低、氣味小,白度好且色度穩(wěn)定,可較好地滿足駕駛室安全環(huán)保的要求。目前,該系列產品已通過歐盟RoHS認證、美國FDA檢測。
為滿足人們對汽車駕駛室高標準空氣質量的要求,燕山石化成功開發(fā)出高模量珠粒發(fā)泡聚丙烯專用料,VOCs含量較低,同時具有優(yōu)異的綜合性能和較輕的質量,在汽車內飾件中的應用越來越多。目前已開發(fā)應用的內裝零部件有汽車內飾用墊塊、座椅系統(tǒng)、行李箱工具盒、方向盤、遮陽板、重型車臥鋪及臥鋪下工具箱等。
燕山石化開發(fā)的一系列汽車輕量化專用材料,既支持了車輛降油耗電耗、減少碳排放,也助力集團公司加快邁向世界一流企業(yè)。下一步,燕山石化將踐行綠色發(fā)展理念,在做大做強汽車輕量化專用料的基礎上,持續(xù)加強高端綠色產品的開發(fā),全力打造高性能合成材料研發(fā)和生產基地,助力實現(xiàn)“雙碳”目標。(杜 洋 閆雨航)
茂名石化:多種專用料通過嚴苛性能測試
“我有一個夢想,有朝一日能買到一輛全部由茂名石化車用材料生產的小汽車。”茂名石化研究院車用聚烯烴產品研發(fā)工程師封水彬博士說,“近年來,我們圍繞汽車輕量化開展了多項研發(fā),產品強度足、重量輕,足以讓汽車‘減脂增肌’,離實現(xiàn)夢想越來越近了。”
汽車保險杠是汽車表面積大、形狀復雜的薄壁結構部件。我國汽車安全標準要求所用材料具有優(yōu)異的抗高、低溫沖擊韌性,剛性及良好的耐老化性能。茂名石化分別開發(fā)了高熔指高抗沖K7726H、K9930H保險杠專用料。
汽車燃油箱是事關安全的重要部件,產業(yè)門檻極高,之前,我國汽車燃油箱專用料全部靠進口。茂名石化開發(fā)了汽車燃油箱專用料HXB4505N,國內首家通過國家汽車質量檢測中心嚴格的質量檢測。該牌號產品已長期用于國內某些汽車品牌,去年更是實現(xiàn)出口。
目前,中國石化重大科技項目“綠色環(huán)保汽車輕量化材料技術開發(fā)與應用”已開始產業(yè)化實施,茂名石化作為主要參與單位之一,組織開展研發(fā)、加快量產速度,已有多個牌號產品受到市場青睞,用于輪胎、保險杠、油箱、儀表板、車門護板、發(fā)動機冷卻風管、蓄電池等汽車部件生產。
今年以來,茂名石化科研人員先后走訪調研了7家知名燃油箱加工和汽車主廠客戶,優(yōu)化產品方案,指導客戶對產品進行嚴苛的性能測試,為茂名石化產品贏得良好口碑,擴大了產品銷路,上半年產銷量超過5100噸。
“車子越輕才能越省油,我們的目標就是在保證安全性的前提下,用塑料取代金屬,讓環(huán)境友好理念深植汽車行業(yè)。”茂名石化研究院院長梁勝彪說。(譚 捷)
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