有机玻璃对新能源汽车的影响范文

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《塑料科技志》2016年第五期

摘要：

将有机玻璃与传统无机玻璃进行对比，分析了有机玻璃应用发展现状和性能特点，同时介绍了有机玻璃在新能源汽车中的应用，最后以车窗为例，对有机玻璃的性能进行了测定。结果表明：除聚碳酸酯玻璃外，有机玻璃和无机玻璃的耐磨性均符合ECER43《关于安全玻璃材料认证的统一规定》，另外这三种材料的抗冲击性均符合规定，且施加涂层能增强玻璃材料的耐磨性，但对其强度影响很小；采用有机玻璃作为车窗材质的汽车内平均计权隔声量比无机玻璃更低，且在人耳能听到的低频段，有机玻璃的隔声性能更好。

关键词：

有机玻璃；轻量化；新能源汽车

新能源汽车是指利用新型能源作为动力源，结合驱动控制等方面的先进技术形成的具有新技术、新结构的汽车[1]。在我国，新能源汽车一般包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车等[2]。研究表明，汽车重量与其能源消耗关系密切，汽车自重每减少10%，其能源消耗可降低8%左右，同时尾气排放量可降低4%左右，因此汽车轻量化技术是实现汽车节能、环保、安全等发展目标的重要新技术[3-4]。为达到汽车轻量化目的，一般可采取选择新材料和新技术两种途径。随着新能源汽车工业的发展，这两种途径在方法上均有了多种选择，且其技术日趋成熟。其中新材料包括镁铝合金、工程塑料等；新技术包括设计模块化、激光焊接技术、液压成型技术等[5-6]。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)俗称有机玻璃，是一种可回收利用的热塑性工程塑料，具有密度低(1.15~1.19g/cm3)、机械强度高、熔点低（130~140℃）、透光率高、易加工等优点。采用PMMA及其复合材料作为汽车车身和零配件材料，包括侧三角窗、灯罩、保险杠等，可有效减轻汽车自重，达到降低能耗和尾气排放量的目的[7-8]。本文基于新能源汽车节能环保的需求，结合有机玻璃在汽车零配件上的应用，以汽车侧窗为例，对有机玻璃在新能源汽车中的应用及性能进行探讨。

1有机玻璃应用发展现状

1.1有机玻璃应用现状有机玻璃由美国化工品和塑料产品生产公司Rohm-Haas于1927首次工业化生产。有机玻璃由甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体聚合而成，无毒环保、性质稳定、不易脆裂，其透光率(92%)是所有合成透明材料中最高的；同时有机玻璃破碎后不会产生尖锐碎片，因而被广泛应用于食品包装、建筑、汽车制造、航空航天等领域[9]。本世纪以来，有机玻璃材料市场日益扩大，平均每年生产量超过150万t[1]，同时许多发达国家已作出强制性规定，校园内建筑用玻璃必须统一使用有机玻璃，我国制造业和城市建设中也逐渐用有机玻璃代替传统玻璃。有机玻璃材料最先应用于航空航天领域。由于具有良好的柔韧性、抗老化性、安全性，机械强度高，广泛应用于飞机挡风玻璃及其他透明零部件中。另外在新能源汽车制造方面，由于新能源汽车对车身重量具有严格要求，欧洲大部分汽车制造商已采用有机玻璃作为汽车侧边和后边挡风玻璃材料，并出台相关法律，规定玻璃材质的性能要求、检测方法和分类标准。在国内，新能源汽车的市场规模不断扩大，导致各大汽车制造商也开始关注有机玻璃在挡风玻璃及其他配件上的应用。

1.2传统玻璃与有机玻璃性能对比传统汽车窗玻璃一般采用由硅酸盐类材料制成的无机玻璃。硅酸盐类化合物在高温条件下形成连续网状结构，冷却后硬化切割，形成具有一定黏度和形态的非金属材料，该材料同时具有耐高温、阻燃、成本低等优点。有机玻璃则由高分子材料通过注塑、挤出或浇注成型，其化学本质为塑料制品，所以韧性、强度及重量均优于无机玻璃。将3种常用玻璃材料进行对比，结果如表1所示，其中聚碳酸酯(PC)是一种以碳酸酯基单体为原料的高分子聚合物，为目前最常用的热塑性通用工程塑料之一。从表1可以看出，有机玻璃在作为车窗玻璃最重要的性能特点(透明度和强度)和作为汽车其他配件最重要的性能特点(轻量化和刚性)整体上优于PC材料和无机玻璃，其他方面如加工成型性和耐磨性等也比较优良，由此可知，有机玻璃是新能源汽车零配件的首选材料。

2有机玻璃在新能源汽车中的应用

2.1新能源汽车车窗玻璃汽车车窗按其结构可分为夹层型和钢化型，按位置可分为前、侧、后挡风玻璃及天窗玻璃。为了营造良好的驾车视野和行车安全环境，汽车窗玻璃一般应满足透光、抗冲击、耐候和碎片少的需求。有机玻璃不仅能很好地满足以上要求，同时还具有抗紫外线辐射的作用，避免车内人员处于长期曝晒状态。另一方面，可利用有机玻璃材料良好的光学性能制成汽车外罩，保护车身整体不受紫外线侵蚀，同时不影响驾车视野。

2.2新能源汽车其他配件除车窗玻璃外，有机玻璃在新能源汽车中的应用还包括汽车的其他配件，如车尾灯灯罩、高光泽装饰物、汽车保险杠等。有机玻璃材料因具有质轻、易着色、美观等优点而广泛应用于新能源汽车车尾灯灯罩；因具有抗刮擦、表面光泽度高、硬度高等优点而广泛应用于新能源汽车高光泽装饰物。另外，有机玻璃与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)共混制成的PMMA/ABS复合材料，可用于制造新能源汽车保险杠，该复合材料同时具备ABS的抗冲击、耐温性好、电气性佳、易喷镀等优点以及有机玻璃的抗划伤、不易褪色、环保等优点，适合作为对材质有高质量要求的产品，同时成本较镁铝合金等材料更低。

3有机玻璃作为车窗材料的性能试验和仿真分析

汽车车窗是占汽车整体比重较大的配件之一，同时也是以玻璃材质作为原材料的部件，所以使用低密度、质量轻的材料作为车窗玻璃可有效降低汽车整体重量。因此本文对有机玻璃材质的性能进行研究，同时结合新能源汽车车窗进行性能试验和仿真分析。

3.1有机玻璃性能测试测试材料：(1)含涂层有机玻璃，厚度4mm；(2)有机玻璃(无涂层)，厚度4mm；(3)PC玻璃，厚度4mm；(4)无机玻璃，厚度4mm。测试仪器：磨耗仪，5135，美国Taber公司；拉力器，GT5769-01，深圳奇裕橡胶有限公司。测试方法：(1)耐磨试验将样品置于磨耗仪上，以相同的力作用于样品表面，使其连续摩擦1000次，测定其雾度；(2)抗冲击试验将样品放置于地面，四角垫起，将质量为0.5kg的钢球置于样品水平上方2m处直接落下，观测其破碎程度。由于我国尚未出台相应法规对汽车车窗性能进行硬性规定，本文采用国际相关法规ECER43[10]作为性能要求评价标准。将以上试验重复5次取平均值，结果如表2所示。从表2可以看出，PC玻璃连续摩擦1000次后，雾度为2.2%，大于ECER43法规中规定的2%，因此其耐磨性不符合车辆玻璃材料安全规定要求，而其他材料连续摩擦1000次后雾度均低于2%，其耐磨性符合规定要求，其中含涂层有机玻璃的雾度低于不含涂层有机玻璃。另外PC玻璃的抗冲击性(抗破碎强度)最高，有机玻璃次之，无机玻璃最差，但这3种材料均符合ECER43法规中对玻璃抗冲击性(抗破碎强度)的规定要求，其中有无涂层对有机玻璃的抗冲击性基本没有影响。

3.2有机玻璃车窗仿真分析选取以有机玻璃作为车窗材质的某A级新能源汽车和以无机玻璃作为车窗材质的另一A级汽车进行现场仿真模拟实验，分别对其车窗运动偏差和声学性能进行研究。测试仪器：三坐标测量仪，GA1703，美国micro-vu公司；手持式数字分贝测试器，T325，珠海天创仪器有限公司。测试方法：(1)运动偏差试验在玻璃窗上选取4行8列平均分布的点，分别从1到32进行标记，使用三坐标测量仪测定汽车以60km/h行驶时车窗与车框的偏差值；(2)隔声试验将分贝测试器放入车内，关闭所有车窗，在距车2m处发出音量70dB、频率0~5000Hz的声音，测试车内不同频率下的音量。运动偏差测试结果如图1所示，隔声性能测试结果如图2所示。图1中，圆点对应的纵坐标代表该位点的位置偏差，圆点处线段的长短代表该处运动偏差值的大小。从图1可以看出，无机玻璃不同点线段长度均长于有机玻璃线段长度，表明采用无机玻璃作为车窗材质的汽车运动偏差大于有机玻璃材质，在运动过程中更易与汽车其他部件如密封条、窗框等发生偏差干涉问题。从图2可以看出，采用无机玻璃作为车窗材质的汽车内平均计权隔声量[11]为26.4dB，音量减小了43.6dB(隔声试验发出音量为70dB)；采用有机玻璃作为车窗材质的汽车内平均计权隔声量为24.1dB，音量减小了45.9dB。另外由文献[12]可知，人耳对于低频段声音更敏感，而有机玻璃在低频段隔声性能较好，在高频段隔声性能则有所下降。

4结论

新能源汽车的发展对汽车结构设计、材料选择、工艺操作均提出了更高的要求，其中有机玻璃因具有优良的力学性能、声学性能等使其在新能源汽车包括车窗等部分零配件材质的应用范围越来越广。本文针对有机玻璃材质在新能源汽车上的应用，并以车窗为例，对其性能进行研究，结果表明：(1)有机玻璃材料在新能源汽车上的应用十分广泛，包括车窗玻璃、车尾灯灯罩、高光泽装饰物、汽车保险杠等；(2)有机玻璃比PC玻璃和无机玻璃更适合作为汽车配件材料；(3)将有机玻璃进行涂覆可降低其雾度，使其更符合新能源汽车对于车窗耐磨性的要求，同时有机玻璃的抗冲击性符合ECER43要求，但有无涂层对其强度几乎没有影响，另外有机玻璃破碎时不会产生尖锐碎片，给乘车人员提供一定安全保障；(4)有机玻璃作车窗时，汽车的运动偏差较小，隔声效果较好，表明使用有机玻璃作为汽车配件材料能够在减轻车身重量的同时满足汽车性能要求。

参考文献：

[1]张琳,陈晓峰.PMMA有机玻璃在汽车侧三角窗上的应用研究[J].上海汽车,2013,17(11):56-59.

[2]周文.汽车用有机玻璃(PMMA)老化性能的热重分析法(TGA)[J].塑料科技,1992,21(1):45-47.

[3]彭成允,邓明,廖仁飞.有机玻璃晴雨挡的成型工艺及质量控制[J].模具工业,2001(12):49-50.

[4]张官理,张振,张定国,等.有机玻璃板材高低温力学行为试验研究[J].材料导报,2011,31(1):360-361.

[5]黄冬林,杨永强,杨胜男,等.振镜扫描式光纤激光焊接有机玻璃工艺研究[J].塑料工业,2009,37(9):43-45.

[6]刘利平,谯万成,王树民.汽车标牌、标徽生产工艺及开发流程简介[J].汽车工艺与材料,2006,24(3):21-24.

[7]哲明.我国塑料和橡胶在汽车工业中应用前景广阔[J].石化技术与应用,2000,18(3):31-35.

[8]王继东,程佳.甲基丙烯酸甲酯生产技术现状及市场分析[J].精细与专用化学品,2008(15):11-17.

[9]荣吉利,李健,刘先光,等.复合材料易碎弹实验测试与仿真分析研究[J].兵工学报,2013,34(9):1057-1064.

作者：张更娥 单位：南宁学院