聚碳酸酯(PC)材料具有設(shè)計自由度高、強度好、密度低、輕量化的特點。從新能源汽車輕量化的要求出發(fā)，分析了新能源汽車的輕量化工作，并從材料、產(chǎn)品性能、標準以及產(chǎn)業(yè)化方面研究了PC材料在新能源汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用前景和存在的問題，PC塑料車窗機械性能優(yōu)于傳統(tǒng)玻璃，但其抗磨性能和耐候性能較傳統(tǒng)玻璃差，PC塑料車窗的應(yīng)用目前急需建立自身的標準，同時進一步提高耐候性和耐磨性;PC塑料車窗導(dǎo)熱性較傳統(tǒng)玻璃差，塑料車窗電阻絲消耗功率和溫度性能明顯低于傳統(tǒng)玻璃，塑料車窗的除霜除霧功能還有待解決。
現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)、性能和技術(shù)的重要發(fā)展方向是輕量化、節(jié)能、環(huán)保和提高安全性。汽車的質(zhì)量和能源消耗成線性關(guān)系．據(jù)統(tǒng)計，汽車質(zhì)量每降低1%則燃耗可降低0.6%～1.0%。能耗又與尾氣排放密切相關(guān)．因此，汽車輕量化對節(jié)能和環(huán)保意義重大。
相對而言，純電動汽車對于輕量化的需求更加迫切，同時也給輕量化技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了新的機遇．為了實現(xiàn)電動汽車的整體減重，提高電動車的整體性能，首先需要全新輕量化車身和底盤的設(shè)計;其次是新材料、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用．本文簡單分析了一下新能源汽車的輕量化工作并結(jié)合目前開展的塑料車窗應(yīng)用項目，研究其應(yīng)用前景和需解決的問題。
1.輕量化要求與發(fā)展
車身質(zhì)量占汽車總質(zhì)量的40%左右，車身的輕量化對于整車的輕量化起著舉足輕重的作用。實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)輕量化主要有兩個途徑:
一是選用強度更高、重量更輕的新材料，例如鋁鎂合金、高強度鋼材等;二是設(shè)計更合理的車身結(jié)構(gòu)，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對車身零部件進行結(jié)構(gòu)和工藝改進等．第一種途徑在目前看來應(yīng)該是車身輕量化的主流，針對規(guī)模化生產(chǎn)的需要，已有很多輕質(zhì)材料應(yīng)用于車身制造工業(yè)，如高強度鋼、鋁合金和碳纖維等;第二種途徑是利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計等方法對車身進行結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計，以減小車身骨架和車身鋼板的質(zhì)量．以上兩種途徑是相輔相成的，必須采取材料替換與結(jié)構(gòu)改進相結(jié)合的方法，才可能在保證汽車整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下，最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量。
汽車底盤是汽車的支撐部分．它保證了汽車的堅固性，通過減震從而幫助提高汽車的撞擊阻力．在衡量汽車內(nèi)的噪音、振動水平(NVH)的數(shù)值中，底盤也是非常重要．NVH的降低不僅提供了舒適的駕駛感受，而且還降低了連接件的壓力，增長了這些組件的使用壽命，而降低NVH的決定性因素是能量的吸收．能量吸收的水平越高，NVH降低的程度就越大。更重要的是，在碰撞中可以更好地進行人員保護。所以相對于電動車而言，它需要專業(yè)化底盤設(shè)計。
不同于傳統(tǒng)汽車，它以滿足動力電池、電機、控制器等零部件的布置要求;同時向電子化、信息化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，滿足未來電動汽車的發(fā)展要求。
隨著國內(nèi)外電動汽車的發(fā)展，其他輕量化新材料和新技術(shù)的應(yīng)用也逐漸多了起來并趨于成熟（見表1）。目前我們重點關(guān)注的技術(shù)有:
(1)塑料翼子板PPO/PA;
(2)前端模塊化設(shè)計;
(3)門模塊;
(4)后尾門模塊;
(5)整車玻璃塑料化;
(6)高強度鋼的應(yīng)用比例逐漸增加;
(7)熱壓成型新工藝的應(yīng)用;
(8)液壓成型;
(9)激光拼焊;
(10)鋁鎂合金零部件的應(yīng)用逐漸增多。
2.輕量化工作的機遇與挑戰(zhàn)
新能源汽車行業(yè)正處在一個快速發(fā)展的階段，中國和國際汽車集團的差距在新能源汽車領(lǐng)域的表現(xiàn)并不像傳統(tǒng)燃油車那么巨大，大部分都處在同一起跑線上，甚至在某些領(lǐng)域，比如電池技術(shù)方面還取得了一些國際領(lǐng)先技術(shù)。但如果不抓住未來的5～10年時間，將會在新能源汽車領(lǐng)域的差距再次被國際汽車集團拉大，中國汽車業(yè)將失去這一歷史機遇。電動汽車作為未來5～10年發(fā)展的重點，輕量化技術(shù)的應(yīng)用將越來越受到重視。
目前國內(nèi)所有汽車廠，幾乎都涉及了新能源領(lǐng)域，輕量化也是大家所共同追求的目標，但也存在一些問題，筆者認為主要有三個方面。
2.1輕量化技術(shù)與國際先進水平存在一定的差距
主要表現(xiàn):零部件設(shè)計開發(fā)及試驗?zāi)芰?在材料開發(fā)、模具制造、工藝設(shè)備、新技術(shù)的應(yīng)用成熟度方面差距明顯;目前多數(shù)輕量化新材料和新技術(shù)的研究多數(shù)都是國外的成果，國內(nèi)缺少原始的參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)，只能將零部件拿到國外的公司設(shè)計開發(fā)，模具和工藝設(shè)備基本靠進口，模具和工藝設(shè)備的制造能力目前國內(nèi)落后國際很多．這就導(dǎo)致了國內(nèi)輕量化技術(shù)的應(yīng)用成本增加，投資變大．目前，國際上全鋁車身、模塊化設(shè)計、塑料翼子板、熱壓成型高強度鋼的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，也有不少成功應(yīng)用的車型，而國內(nèi)自主開發(fā)應(yīng)用的車型卻寥寥無幾。所以需要國家相關(guān)部門的關(guān)注，加大上游研發(fā)的支持力度，特別是在新材料、模具制造、設(shè)備制造水平上實現(xiàn)國內(nèi)自主開發(fā)、生產(chǎn)．
2.2輕量化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化問題
主要表現(xiàn):一些先進輕量化技術(shù)只能在國外生產(chǎn)和制造，國內(nèi)受設(shè)計能力、模具制造能力、以及設(shè)備，資金的限制，尚無一家具備生產(chǎn)能力;無法實現(xiàn)國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化，新的輕量化方案也只能是紙上談兵。需要國家相關(guān)部門的關(guān)注和推動整個汽車產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展與建設(shè)．只有整個汽車產(chǎn)業(yè)鏈上的核心技術(shù)實現(xiàn)了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化，我們的民族汽車工業(yè)才能不受制于人，同時減低電動車的成本，推動整個電動汽車行業(yè)的健康發(fā)展。
2.3輕量化技術(shù)相關(guān)標準法規(guī)
新能源汽車是高新技術(shù)密集型產(chǎn)品，設(shè)計面很廣，技術(shù)更新發(fā)展也很快，因此要不斷制定和修訂相關(guān)標準，以便更好的適應(yīng)和推動行業(yè)的健康發(fā)展．目前一場沒有硝煙的標準化爭奪戰(zhàn)已經(jīng)打響，知識產(chǎn)權(quán)的保護刻不容緩的擺在國內(nèi)企業(yè)的面前．失去標準法規(guī)這個新能源行業(yè)的制高點，我們將會付出慘痛的代價，中國在這方面的教訓(xùn)已經(jīng)足夠深刻。所幸的是目前國內(nèi)也十分重視電動汽車標準化的建設(shè)，許多科研單位和企業(yè)在開展電動汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的同時，也在積極學(xué)習(xí)和借鑒國外電動車標準的成果和經(jīng)驗．積極開展我們自己的電動車標準化工作有利于我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
國家相關(guān)部門應(yīng)重點關(guān)注和推進完善標準法規(guī)體系，加強標準法規(guī)的制訂力度和完善各企業(yè)間地合作，切實加強標準法規(guī)對行業(yè)的指導(dǎo)作用，爭取在短時間內(nèi)基本建立起與產(chǎn)業(yè)發(fā)展和能源規(guī)劃相適應(yīng)的節(jié)能與新能源汽車標準體系;同時積極參與國際合作，在國際標準爭奪戰(zhàn)中取得有利地位。
本文列舉在以PC為材料的塑料車窗技術(shù)應(yīng)用研究方面的情況，重點探討了塑料車窗在國內(nèi)的應(yīng)用前景和需進一步解決的問題。
3.PC視窗技術(shù)發(fā)展
聚碳酸酯簡稱PC，是一種無定型、無臭、無毒、高度透明的無色或微黃色熱塑性工程塑料．它具有以下特點:優(yōu)良的物理機械性能，蠕變性小，尺寸穩(wěn)定;良好的耐熱性和耐低溫性，無明顯熔點，在220～230℃呈熔融狀態(tài);由于分子鏈剛性大，樹脂熔體黏度大;吸水率、收縮率小，尺寸精度高，尺寸穩(wěn)定性好，薄膜透氣性小;屬自熄性材料;對光穩(wěn)定，但不耐紫外光;耐油、耐酸，不耐強堿、氧化性酸及胺、酮類，溶于氯化烴類和芳香族溶劑，長期在水中易引起水解和開裂．它的缺點是因抗疲勞強度差，容易產(chǎn)生應(yīng)力開裂，抗溶劑性差，耐磨性欠佳．通過改性和鍍層后可應(yīng)用于汽車車窗，它在未來10年的主要應(yīng)用是:天窗，固定車窗(除前風(fēng)擋)，車身面板等(見圖1);聚碳酸酯作為汽車車窗應(yīng)用的需求量預(yù)期到了2018年將達到約100kt．目前比較成熟的塑料車窗開發(fā)流程為:構(gòu)思→設(shè)計理念→材料選擇→產(chǎn)品設(shè)計→技術(shù)開發(fā)→模具設(shè)計→注塑成型→涂層→成品。
如圖1所示，因為前風(fēng)擋法規(guī)和安全性的要求，目前，前風(fēng)擋在現(xiàn)有技術(shù)水平下還無法應(yīng)用;前三角窗和前車門玻璃因為耐磨性要求和駕駛員的視野要求等，正在研發(fā);市場已經(jīng)有所應(yīng)用的，主要是車體后半部的車窗和固定車窗以及全景天窗等。相對于無機玻璃，聚碳酸酯PC玻璃具有以下優(yōu)勢:
(1)設(shè)計自由度提高，功能整合;
(2)韌性，抗沖擊性提高;
(3)減重效果明顯，可降低整車重心，減少二氧化碳排放;聚碳酸酯比重為1．2g/cm3;無機玻璃比重為2．5g/cm3，理論減重50%，實際應(yīng)用中減重效果為30%～40%;
(4)可回收，環(huán)保，循環(huán)利用;
(5)提高安全性。
隨著產(chǎn)品性能和制造工藝的不斷完善，塑料車窗正在向著模塊化的方向發(fā)展（見圖2）。圖2中的全景塑料天窗采取模塊化設(shè)計，集成了剎車指示燈、室內(nèi)照明燈、線束、天線等都有所體現(xiàn)，設(shè)計自由度高，可以充分發(fā)揮塑料車窗的優(yōu)勢。當(dāng)然PC也存在一定的不足:
(1)耐候性不如無機玻璃;
(2)耐磨、耐刮擦性不如無機玻璃;
(3)拉伸模量與無機玻璃區(qū)別明顯。
針對PC的這些缺點，一方面可以通過與其他有機物共聚、均聚、共混來克服;一方面需要優(yōu)化模具和工藝設(shè)計;另外針對耐候性和耐磨性的不足，需要合適的涂層技術(shù)。但國內(nèi)最缺乏的就是涂層技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前效果最好的是濕涂層技術(shù)，通過它的處理，PC玻璃的耐刮擦及耐候性可得到極大改善;在聚碳酸酯上施涂濕涂層的可加工性及應(yīng)用已經(jīng)在國外得到證實和實車應(yīng)用，車窗玻璃可實現(xiàn)減重40%。
4.塑料車窗性能研究
4.1材料性能
本次研究樣品以后風(fēng)擋為對象，塑料后風(fēng)擋以PC(聚碳酸酯)改性材料作為原材料．原材料性能測試結(jié)果見表2。
因為聚碳酸酯自身存在的耐刮擦和耐候性不足，就決定了需要PC玻璃涂層技術(shù)，采用淋涂工藝、雙層涂鍍技術(shù)可取得較好的耐候、耐磨效果。
通過在中國國內(nèi)的市場調(diào)查，目前PC玻璃產(chǎn)業(yè)化的最大不足點是在涂層技術(shù)方面;模具、注塑機等設(shè)備國內(nèi)僅少數(shù)幾家具備一定的設(shè)計和生產(chǎn)能力;最新型的注塑工藝為旋轉(zhuǎn)注塑、多層注塑，同時注塑時可動態(tài)給模具加熱，模具加熱有利于提高產(chǎn)品合格率和成品質(zhì)量，國內(nèi)目前還沒有這項工藝．實際應(yīng)用和本次測試的塑料車窗都是帶涂層的產(chǎn)品．
4.2產(chǎn)品性能
后風(fēng)擋因為有除霜除霧的要求，所以塑料車窗可分為帶電阻絲和不帶電阻絲兩種。
不帶電阻絲
塑料玻璃因為其用途與傳統(tǒng)玻璃是一致的，所以車窗玻璃的大部分性能要求，塑料車窗也必須滿足，只是具體的標準還需大量的試驗數(shù)據(jù)提供參考．塑料車窗基本性能要求包括:人頭模型沖擊試驗、落球試驗、霰袋沖擊試驗、磨損試驗、抗穿透試驗、防火試驗、耐濕性、耐熱試驗、耐化學(xué)性試驗、耐候性、透射比、光畸變等．
通過試驗我們發(fā)現(xiàn)PC塑料后風(fēng)擋具有良好的抗沖擊性能和光學(xué)性能，PC塑料后風(fēng)擋與傳統(tǒng)玻璃相比光學(xué)性能優(yōu)越，透光率達到90%以上;落球試驗和霰袋沖擊試驗結(jié)果沒有差異，且PC后風(fēng)擋同時也滿足人頭模型沖擊試驗和抗穿透試驗;PC后風(fēng)擋機械性能優(yōu)于傳統(tǒng)玻璃;但其抗磨性能和耐輻照性能較傳統(tǒng)玻璃較差。當(dāng)然我們是沿用現(xiàn)有標準和試驗方案進行分析的，通過整個過程我們也感到直接套用現(xiàn)有傳統(tǒng)玻璃的性能要求和試驗方法，并不完全適合塑料車窗。所以需要通過大量的數(shù)據(jù)積累和研究實際的使用環(huán)境，制定符合實際使用要求的標準和試驗方法;同時也必須從塑料車窗產(chǎn)品性能本身出發(fā)繼續(xù)改善其自身的耐磨性和耐候性，才能推動塑料車窗的實際應(yīng)用。
帶電阻絲
塑料后風(fēng)擋除需要除霜除霧功能外，仍然需要考慮其他性能要求。它包括:耐清洗液、過電壓、加熱絲消耗功率、溫度性能、不透明率、融化效率、插片強度、加熱絲插片抗彎曲試驗、電熱耐久性等要求。
通過整個試驗發(fā)現(xiàn)PC塑料后風(fēng)擋因為塑料的導(dǎo)熱性較傳統(tǒng)玻璃差，塑料玻璃與電阻絲的結(jié)合技術(shù)還不是很完善，其消耗功率和溫度性能明顯低于傳統(tǒng)玻璃，而消耗功率低導(dǎo)致通電后其主表面溫度低，不能起到很好的除霜效果。因此建議PC后風(fēng)擋若想達到理想的除霜效果，其消耗功率應(yīng)在不影響整車功率的條件下高于傳統(tǒng)玻璃的要求，但需要考慮與整車電源功率匹配。
圖3所示為我們對帶加熱絲的后風(fēng)擋進行除霜除霧試驗時的情況。試驗過程中主表面溫度為32．8℃，兩側(cè)插片附件溫度為56.4℃。。因為塑料導(dǎo)熱性較傳統(tǒng)玻璃差，所以除霜除霧性能有待提高。
5.結(jié)束語
輕量化是新能源汽車發(fā)展的必然要求，前期結(jié)構(gòu)設(shè)計、新材料、新工藝，新技術(shù)的開發(fā)需要上游材料廠、整車廠、零部件企業(yè)及整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)調(diào)發(fā)展與協(xié)作，也特別需要國家相關(guān)政策法規(guī)的引導(dǎo)和支持。
作為整車輕量化的一個手段，塑料車窗的應(yīng)用前景廣闊。鑒于試驗條件的局限性，最終結(jié)果不免存在一定誤差，但是通過本次試驗，已經(jīng)可以初步獲得以下幾點結(jié)果。
(1)塑料車窗在新能源汽車上可應(yīng)用零部件:全景天窗、后風(fēng)擋玻璃、側(cè)固定車窗，整體較傳統(tǒng)鋼化玻璃實際應(yīng)用中減重效果為30%～40%;單件成本需要最終國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化后確認。
(2)塑料車窗的應(yīng)用主要存在三個問題:標準和試驗方法的建立問題、國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)問題、成本問題．這三方面問題應(yīng)加以突破和發(fā)展，塑料車窗必像汽車大燈一樣，迎來快速發(fā)展。
(3)塑料車窗的耐磨性和耐候性是主要存在的兩個難點，還需依賴涂層技術(shù)的發(fā)展，以滿足車窗的耐候和耐刮擦等性能要求;國內(nèi)應(yīng)該加強涂層技術(shù)研究，不斷改善和提高塑料車窗的耐磨性和耐候性。
(4)塑料車窗的除霜除霧功能還需加強研究和改善性能。
(5)目前塑料車窗實際應(yīng)用過程中面臨無標準可依的問題，照搬傳統(tǒng)玻璃的標準和試驗方法顯然不完全適合塑料車窗。如何確定適合塑料車窗的統(tǒng)一的要求和試驗方法急需相關(guān)部門和企業(yè)共同制定完善．并且后期塑料車窗3C認證問題也需盡快解決。
(6)通過研究，我們認為塑料車窗現(xiàn)階段比較適合B柱之后的固定車窗，特別適合造型復(fù)雜、自由度高的設(shè)計，同時可實現(xiàn)零部件的集成模塊化，這樣雖然塑料車窗單件成本提高了，但通過減少零部件的數(shù)量，整車成本仍可得到較好控制，從而推動塑料車窗的應(yīng)用和實現(xiàn)整車輕量化目的。
模塊可靈活構(gòu)成不同的專業(yè)能力，覆蓋該專業(yè)能力的所有模塊有機地組合成本專業(yè)的模塊化教學(xué)體系，最終構(gòu)建成模塊化人才培養(yǎng)方案，以培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力、綜合素質(zhì)、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)、實事求是的科學(xué)態(tài)度和不拘一格的創(chuàng)新精神．因此，只有構(gòu)建適合各專業(yè)特點的模塊化教學(xué)模式，才能提高應(yīng)用型高等院校教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出社會所需的高質(zhì)量的工程應(yīng)用型專業(yè)人才。
