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中国车用塑料的应用现状及发展趋势

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文/高春雨 杨桂英,中国石化集团公司经济技术研究院

基于塑料有其他材料所不具备的特性,所以被汽车工业大量采用。塑料在汽车上的应用已有近50年的历史,其对汽车减重、安全、节能及美观舒适等功不可没。随着对汽车轻质、节能要求的日益提高,加上对乘坐舒适、安全的要求,发达国家汽车塑料件的用量逐年增加,平均每辆轿车的塑料用量1981年为68.4千克,1986年为78.2千克,1991年为94.4千克,目前在130~150千克之间。主要集中在聚丙烯(PP)、ABS材料、聚乙烯(PE)、聚氨酯(PU)和尼龙(PA)等产品上。

中国汽车塑料件伴随着汽车工业的迅速发展而发展,自主品牌汽车使用塑料大致每辆在110~140千克之间,轿车上塑料用量已达整车自重的9%~10%,接近国外9%~12%的水平。

1 车用PP的使用情况

1.1   PP的后加工情况

PP改性主要通过在PP原料中加入增强剂和增韧剂来达到提高材料刚性、耐热性、低温抗冲击性和降低材料收缩率及成本的目的。目前增强剂主要有玻璃纤维、滑石粉、云母及碳酸钙等;增韧剂主要有烯烃类热塑性弹性体(POE)和三元乙丙橡胶(EPDM)等。

PP复合材料强度的大小与增强剂种类和用量密切相关。如在PP中加入20%的玻璃纤维所得到的复合材料,在不损失或较少损失韧性的前提下,可大幅提高复合材料刚性和耐热性,弯曲模量可提高到2 000~2 500兆帕,热变形温度可提高40~50℃。在汽车领域,玻璃纤维增强PP通常应用于汽车结构件或耐热零部件,如发动机周边的吸气导管、空滤器壳、冷却风扇及风扇护罩等。

滑石粉和碳酸钙等对PP强度和耐热性的改善作用明显低于玻璃纤维,如同样在20%的添加量的情况下,滑石粉增强PP复合材料较均聚PP弯曲模量可提高1 000~1 500兆帕,热变形温度可提高20~30℃。但由于滑石粉和碳酸钙成本低,价格分别仅为玻璃纤维的三分之一和十分之一左右,因此在汽车行业也得到广泛应用,其改性的PP通常应用于内外饰件,如保险杠、仪表板、侧导流板、立柱、杂物箱等。

在采用增强剂改性PP的过程中,PP的韧性会受到影响,需要同时加入弹性体来改善复合材料的耐低温冲击性能。目前使用的增韧剂主要有POE和EPDM等,由于POE性能优异,且近年来价格不断回落,因此在改性PP中的应用不断提升。

在实际生产过程中,通常改性料厂家会根据汽车零部件材料性能要求和成本核算,选择增强剂和增韧剂种类,并调整增强剂和增韧剂比例。

1.2  汽车零部件用PP的状况

1.2.1   汽车外饰件

1)保险杠


保险杠是汽车上较大的外覆盖件之一,作为一个独立总成安装在汽车上,它对车辆的安全防护、造型效果、空气动力性等有着较大的影响。

其作用有两方面:①安全作用。②轿车保险杠的附加功能为装饰和美化车身。保险杠总成重量约为10千克,其中骨架PP重7千克左右,格栅ABS重3千克左右。

为提高材料刚性和韧性,降低材料收缩率,目前国内汽车保险杠一般采用PP+无机填料+增韧材料混合而成的复合材料来制作。所用无机填料多为滑石粉、碳酸钙及云母等,其目的是提高复合材料的尺寸稳定性、刚性和耐高温性;增韧材料主要是POE和EPDM等,其目的是提高材料的韧性和耐低温性。

另外也采用接枝极性基团的方法来改善保险杠的可涂装性。

2)挡泥板


挡泥板是汽车的外用零部件,在性能上必须符合技术指标,还应满足实际应用环境的使用要求。必须具备较好的抗拉强度、断裂伸长率、耐撕裂强度、低温冲击性能、耐热性等。

挡泥板所采用的材料多为改性PP或高密度聚乙烯(HDPE)材料,单个重量在400~500克左右。

1.2.2 汽车内饰件

1)仪表板

汽车仪表板是一种薄壁、大体积、开有很多安装仪表用孔和洞、形状复杂的零部件。在强度上要求能承受各种仪表和音响设备以及管线接头等负荷,并能耐前挡风玻璃透过来的太阳光辐射热和发动机散热引起的高温;在安全性能上,要求仪表板具有吸收冲击能、防眩和难燃等性能。

汽车仪表板的结构和用材多种多样,但基本上可以分为硬质和软饰仪表板两大类。硬质仪表板结构简单,主体部分为同一种材料构成,多用于载重汽车及客车,一般不需要表皮材料,采用直接注塑成型。软饰仪表板由表层、缓冲层和骨架三部分构成,其中骨架多采用ABS/PP/金属等,表皮采用聚氯乙烯(PVC)或聚碳酸酯(PC)/ABS膜,缓冲层多用发泡PU。

目前,欧系、美系、日系、韩系和我国自主品牌乘用车仪表板主要采用改性PP(部分高端车型,例如奔驰采用PC/ABS材料),主要成分是PP、橡胶增韧剂和矿物粉填充剂。这种材料价格低,综合性能好,改性技术成熟。

未来仪表板的发展趋势主要有结构轻量化和免喷涂材料。通过采用微孔发泡等先进技术来减少仪表板的重量;研发具有光泽性的材料,使仪表板注塑成型后具有良好的光泽,减少喷涂工艺,从而降低成本,同时提高材料的可回收性能。

2)车门内饰盖板

汽车车门内饰盖板主要分为左前门板、右前门板、左后门板、右后门板4个部分。为了有效地扩大车内的可利用空间,设计师往往采用车门内板与车门扶手一体化的造型。欧系、美系、日系、韩系和我国自主品牌的门内板主要采用改性PP材料,部分高端车型(奔驰等)采用ABS材料作为门板骨架,再复合软性装饰材料制成整体式门内板。

3)车用座椅

汽车座椅由三部分组成,一是支撑骨架部分,二是缓冲垫,三是外包皮。支撑骨架部分的零件大部分是由金属材料制成(有些车型已开始使用可冲压成型玻璃纤维增强热塑性塑料复合材料),弹性减震部分大都使用PU泡沫塑料,面料一般使用人造革或纤维织物。

座椅的缓冲材料为模压发泡的软质高弹性PU,其地位暂时还没有其他发泡材料能代替。通常采用热硫化法和冷硫化法生产,但从设备投资和材料性能方面考虑,多数采用冷硫化法生产。考虑到座椅的舒适性,缓冲垫的密度可以改变,目前的泡沫缓冲垫主要采用软质高回弹PU模塑泡沫材料。

4)方向盘

汽车方向盘要求树脂具有一定的冲击强度、耐热性和耐寒性。未经改性的低温抗冲击性能差的材料,不宜在寒冷地区使用。为了改善PP的应力开裂和低温冲击性能,可以在PP树脂中加入玻璃化温度较低的柔性聚合物或橡胶。研究表明,采用顺丁橡胶改性PP制得的汽车方向盘专用料,其冲击性能得到明显提高,且加工性能优良,着色力强,产品外观美观。为减轻质量,以玻璃纤维增强PA代替铁芯是方向盘未来的发展趋势。

5)手套箱

汽车杂物箱一般采用PP材料,手套箱的附件如转轴轴销、卡舍、卡夹,多选用聚甲醛(POM)材料,能够耐反复冲击和耐磨。

6)立柱装饰

一般轿车车身有三个立柱。前挡风玻璃和前车门之间的斜立柱叫A柱(又称前柱),前车门和后车门之间的立柱叫B柱(又称中柱),后车门和后挡风玻璃之间的斜立柱叫C柱(又称后柱)。ABC柱不仅仅是撑起驾驶舱车顶的金属部件,而且对驾驶舱内的成员有重要的保护作用,在车辆发生翻滚或倾覆的时候,ABC柱能够有效避免驾驶舱被挤压变形。一些高档车的ABC柱是和车身包括车架一体化的,安全性大大提高。另一个方面,ABC柱也是一些装置的“必经之路”,比如部分电器线路、安全带(B柱)、照明音响装置等,甚至安全气囊都可以安置在上面。ABC柱的装饰立柱一般为PP材料,部分高端车型为ABS材料。

1.3 车用PP的发展趋势

未来汽车的发展仍将以减轻车身重量、减少尾气排放和车用材料绿色环保且可回收利用为主基调,因此车用PP复合材料的发展也将从PP基料性能的提升、填料种类的选择及处理加工技术的改进、增韧材料新产品的开发等方面入手,提高PP复合材料的综合性能。

1.3.1 基础树脂的发展趋势

作为PP复合材料的基础材料——PP基料,其性能好坏直接决定PP复合材料的综合性能。因此,开发各类新型PP基料或提高PP基料性能来实现PP复合材料性能提升,仍将是未来的发展方向之一。

1)高结晶PP

高结晶PP具有高强度,可减少PP改性料中的增强填料的使用量,从而使复合材料的密度降低,达到节能环保的目的。目前国内虽有多家企业在开发此类产品,但性能均不及韩国LG等公司产品,因此汽车行业用高结晶PP主要依赖进口。

2)高抗冲PP

高抗冲PP是具有高橡胶含量的共聚PP,其耐低温冲击性能与所含橡胶比例及橡胶形态密切相关。日本JPP公司采用HORIZONE工艺开发了NEWCON系列PP树脂,其乙烯含量最高可达20%,橡胶含量最高可达50%,具有极好的常温和低温冲击性能,是汽车保险杠及内饰件的极佳基础树脂。

1.3.2 改性料技术、添加剂的发展趋势

随着汽车工业的发展,塑料改性行业也在不断发展壮大。虽然在改性基础理论方面,依然遵循增强和增韧两个原理,但增强材料和增韧材料仍在不断推陈出新,如碳纤维、POE等。另外增强材料的处理技术也在不断发展,如长玻璃纤维增强PP中长玻璃纤维的加入技术等。

2 车用ABS的使用情况

2.1ABS材料的后加工情况

由于ABS中的丁二烯在聚合后仍存在双键结构,使得ABS本身也存在着耐候变色性差、易燃等方面的缺陷,加上ABS耐热相对偏低、力学性能不足,因此在用于汽车零部件时,大部分都要进行改性,目前常用的做法是将ABS与其他物质(如聚合物)进行掺混制备出具有新的性能、价格相对合理的改性产品。汽车工业常用的ABS改性材料主要包括:ABS/PC合金、ABS/PA合金、ABS/PVC合金、ABS/聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)合金等,另外在汽车中还使用一定量的耐热ABS、低气味ABS、消光ABS、电镀级ABS等。

1)ABS/PC合金

ABS/PC作为世界上销售量最大的商业化聚合物合金,近年来需求增速一直保持在10%左右。


ABS/PC合金较PC提高了流动性,改善了加工性能,减少了制品对应力的敏感性。主要用于汽车内饰、外饰、车灯等高强度、高耐热零件。

2)ABS/PA合金

ABS/PA合金研究始于20世纪60年代,目前ABS/PA具有最高冲击强度的合成材料之一,由于掺入PA,改进了高温下ABS树脂的化学稳定性,并具有耐翘曲性、良好的流动性和漂亮的外观。ABS/PA合金的热变形温度远高于PA6,共混物干态下缺口冲击强度大于860千焦/米。由于ABS/PA的售价较ABS/PC低,在一些部件上有用ABS/PA替代ABS/PC的迹象。

3)ABS/PVC合金

ABS/PVC合金不仅具有PVC独特的难燃自熄性、耐化学药品性,还具有ABS的耐热、耐冲击和易加工的性能。目前主要用于汽车仪表盘、仪表板表皮等一些要求阻燃的部件。

4)ABS/PBT合金

ABS/PBT合金充分利用了PBT的结晶性及其优良的成型性、尺寸稳定性和耐药品性,且缺口冲击强度较PBT明显提高。目前在汽车领域主要用于生产仪表壳、仪表板、安全气囊盖、座椅扶手等。

2.2 汽车零部件用ABS的现状

1)装饰条

汽车用装饰条一般用于汽车的保险杠、车门、仪表板等部位,不仅增加了车身侧面的美感,使其与车身弧度相吻合,更重要的是对车门、把手等易磕碰处的车身漆提供有效的保护。目前高档车的装饰条约有6~8条、重量在500~700克左右。一般使用ABS/PC材料生产。

2)汽车把手

一般轿车有4个外把手和4个内把手,单个外把手重量在60克左右,一般安装在改性PP的材料上;内把手重量约50克左右,同样固定在PP改性材料制作的门内板上。目前外把手的材料一般使用ABS/PC合金,内把手使用ABS/PA或PP改性材料。

3)汽车仪表壳

汽车仪表壳是汽车仪表板总成的部件之一,主要负责固定汽车仪表。目前一般使用ABS/PA材料制造,部分企业也使用ABS/PC生产。重量一般在600~800克左右。

4)汽车车轮毂罩

汽车车轮毂罩主要起装饰作用,目前用材一般为ABS/PA合金。单个重量在300~450克左右。

2.3 车用ABS的发展趋势

ABS材料是最早用于生产汽车零部件的塑料材料,随着PP产品性能的不断提高,ABS材料的用量在不断下降。未来,亚光型ABS和超亚光型ABS仍将是汽车工业的首选基础树脂。从ABS材料改性技术看,由于受到汽车内饰低气味要求的影响,未来包括ABS/PC合金、ABS/PA合金等产品将面临对相容剂的重新选择,一些容易挥发的组分可能被弃用。ABS/PVC合金的用量可能进一步减少。

3 车用PE的使用情况

目前汽车用PE主要有两种,一种为生产汽车油箱用的HDPE,另一种为生产各种夹具及零部件包装用的PE产品。目前使用塑料油箱的汽车其PE用量在8~10千克/辆,其中油箱重量为6~8千克/辆。

汽车油箱是汽车主要的安全部件之一,其开发始于20世纪60年代,首先从德国和美国开始,并逐步从轿车向客车、轻型卡车和重型卡车扩展。目前国外特别是欧美地区塑料油箱的普及率已超过90%。国内塑料油箱的开发始于20世纪90年代,通过从大众、丰田、通用、雪铁龙等公司引进新车型,塑料油箱得到了应用和普及,到2012年,除部分车型外,大部分乘用车均使用塑料油箱,约占国内乘用车产量的85%左右。

由于汽车油箱的特殊性,对原料的要求也非常高,通常采用高分子量的HDPE作为基材,其抗冲击强度和耐应力开裂是最为重要的指标,一般重均分子量在25万以上的HDPE才适合于生产汽车油箱。同时为了提高材料的低温韧性,一般采用己烯-1作为共聚单体。

目前,用于生产塑料油箱的HDPE主要来自一些国际知名公司,如巴塞尔、索尔维、英力士等,国内企业中虽然齐鲁石化和茂名石化都进行了HDPE油箱料的开发,但目前仍处于试验认证阶段。

4 车用PU的使用情况

4.1 车用PU的分类应用

1)软质泡沫材料

车用PU泡沫塑料的种类分软质、半硬质、硬质PU泡沫塑料,以及PU自结皮泡沫塑料和增强反应成型PU等。可用于遮阳板前导块镶条、车内四角装饰、车门内饰、中心立柱装饰、隔音垫、空气滤清器密封垫及条顶蓬内衬、座椅、座垫、靠背、头枕等部件。其中座椅、靠背及头枕是汽车上PU泡沫塑料用量最大的部件。

2)硬质泡沫材料

硬质PU泡沫塑料具有隔热性能出色、强度高、阻燃性好、尺寸稳定和耐化学药品等性能,常用作豪华客车和冷藏车车厢的保温材料、车门内衬及内装板、 座椅靠背盖壳、 加工性内饰件、空调风管、油浮子以及发动机隔热罩等。

3)整皮泡沫材料

整皮泡沫塑料主要用于扶手、头枕、方向盘、保险杠、仪表板、喇叭盖、扰流板及变速手柄等。

4)反应注射成型PU材料

反应注射成型PU是把多种高反应活性的液体原料通过混合头注射到密闭模具中进行反应而成型得到制品的工艺方法。在此基础上还发展了增强反应注射成型和结构反应注射成型, 主要应用于保险杠、挡泥板、侧防护条、扰流板、格栅、内饰件、仪表板、方向盘、大灯壳、后灯、缓冲件、车内转角、 立柱、车门扶手、散热器格栅、阻流板、防护罩格栅、行李箱底板和车门外板等。近年来,国外采用增强材料预置于模具中强化制品的物理性能,使制品有了更大的应用范围和发展潜力。

4.2 车用PU的发展趋势

1)纤维增强PU复合材料

PU复合材料在汽车领域已逐渐取代不饱和聚酯、环氧树脂和乙烯基树脂为主宰的复合材料,可用于制造汽车方向盘、仪表盘、车身壁板、发动机罩、行李箱盖、散热器格栅、挡泥板、扰流板和保险杠等。拜耳、克劳斯玛菲(KraussMaffei)等公司研究较多,其产品也在欧洲的一些汽车上用于生产车顶、掀背式后门、引擎盖及车门等车身部件。

3)热塑性聚氨酯弹性体(TPU)塑料合金

TPU作为一种新型材料在汽车应用中仍处于起步阶段,目前国内外很多研究机构的开发重点集中在TPU-PP玻璃纤维(包括长纤和短纤)等增强橡塑复合结构材料上,一旦开发成功有望替代PP+EPDM(或POE)在保险杠领域得到应用。由于TPU价格相对较低,估计TPU+PP玻璃纤维增强材料的成本较PP+EPDM(或POE)+滑石粉低近10%。

3)绿色环保PU材料

汽车内饰件有机挥发物(VOC)含量已成为消费者对其产品认知度的重要评价指标。车内PU泡沫材料、PU胶粘剂、PU涂料、PU合成革等中VOC挥发物是影响车内空气质量的主要因素。

汽车内饰件用PU泡沫塑料中VOC的主要来源:聚醚多元醇(主要是POP)、催化剂、匀泡剂(稳定剂)、异氰酸酯、芳香族化合物(甲苯、苯乙烯)和有机胺类化合物等。

从未来发展情况看,PU在汽车中的应用仍然方兴未艾,特别是PU弹性体及PU复合材料的使用仍具有较大的发展空间,同时汽车隔音性能的提高也使得PU在未来车身和底盘等填充材料的应用方面具有较大的发展空间。

5 车用改性PA的使用情况

5.1 车用PA的产品种类

5.1.1 玻璃纤维增强PA

玻璃纤维增强PA主要是在PA产品中添加玻璃纤维、矿物填料、增容剂和其他助剂,并配有一定的增韧母粒。

发动机周边部件也越来越多选用PA增强改性材料,目前大部分仍选用玻璃纤维增强PA。从未来的发展情况看,玻璃纤维增强PA仍将是汽车用PA的主要发展方向,特别是长玻璃纤维增强PA将越来越受到市场青睐。

5.1.2PA合金

近年来,随着PA改性技术的不断发展,PA合金在汽车中的应用不断拓展,主要包括以下3类合金。

1)高耐热PA/ABS共混材料。共混材料由PA、ABS、抗氧剂、接枝增容剂和无机填料组成,用于汽车挡泥板、后视镜和油箱盖等零部件的生产。

2) PA/聚苯醚(PPE)合金。该材料以PA为连续相、PPE为分散相,改性后性能获得很大改善,兼具两者优点。可用于汽车的大型挡板、汽车装饰件、缓冲器、车身垂直塑料外板等各种护板护罩等。

3)刚性耐低温超韧PA。以PA 6、PA66 为基料,EVA/PE-G-MAH 作复合增容剂,通过与乙烯丙烯酸共聚物(EAA)、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)、PE等增韧剂共混来生产PA 合金。用该方法制得的刚性耐低温超韧PA 具有良好的低温性能,可用于生产汽车保险杠托架、汽车的线卡、油管线卡等。

未来,PA合金的应用仍将不断发展,PA合金及PA复合材料在耐油、耐热方面的优异性能使得其在替代铝合金材料、橡胶材料等方面仍将有很多进展。目前国内改性PA的生产主要集中在杜邦和巴斯夫等公司在国内建设的工厂中,内资企业近年来开发力度在不断加强,但市场份额仍很少。

5.2 改性PA在汽车中的应用

1)进气歧管


塑料进气歧管最主要的优点是成本较低,质量较轻,重量大约为2千克。此外,由于PA的导热性比铝低,燃油喷嘴和进入的空气温度可较低。

不仅可改善热启动性能,也可提高发动机的功率和扭矩,而且塑料进气歧管内壁比较光滑,可减少空气流动阻力,从而改善发动机的性能。与金属材料相比,塑料件要比铸铁轻几倍,比铝合金件还要轻1/4。此外,由于塑料不容易导热,在夏季时空气仍可以避免快速升温,从而有利于发动机功率的发挥。

4)发动机气门室罩盖

发动机气门室罩盖采用玻璃纤维增强的PA6复合材料制造,该件采用注射法成型,表面涂银色,内侧粘贴吸声材料,目的在于美观、减重及降低成本。发动机塑料气门室罩盖的特点为成型方便、成本低、质量轻,比金属制品成本降低50%,轻量化30%,而且大大降低噪音。塑料材料可选用玻璃纤维增强PA,如美国杜邦公司的Minlon2lC(PA+玻璃纤维+矿物填充剂)。

6 未来车用塑料的发展趋势

根据中国汽车发展研究中心的调研,2012年国内乘用车塑料使用量平均为142千克/辆,全年乘用车塑料消费量在188万吨左右,如果考虑更新件的使用量,汽车塑料的消费量在210万吨左右。单车塑料用量也显著提高,2005年国内单车塑料用量在120千克/辆左右(其中PP用量在75千克左右),到2012年提高到143千克/辆(其中PP用量为87.7千克/辆)。

从目前发展情况看,随着节能和环保法规对汽车的要求不断提高,国内汽车的轻量化进程将不断加快。按照2012年出台的《节能与新能源汽车产业发展规划》,预计到2015年生产的乘用车平均燃料消耗量将降至6.9升/百千米,节能型乘用车燃料消耗量将降至5.9升/百千米以下;到2020年生产的乘用车平均燃料消耗量将降至5.0升/百千米,节能型乘用车燃料消耗量将降至4.5升/百千米以下;商用车新车燃料消耗量将接近国际先进水平。从未来发展情况看,汽车塑料化仍是汽车减重的主要手段之一,由于目前内饰件塑料化程度相对较高,未来汽车塑料化的重点主要是结构件、功能件和外装件。

1)车门模块。车门模块的零部件目前部分框架及连接件仍使用金属材料,未来发展趋势是车门模块化和塑料化,通过车门的模块结构,将车门系统的各类零件固定在模块上,减少连接部分,以达到减重的目的。主要开发复合材料(金属与塑料的复合材料)和工程塑料来替代金属件,如车门加强横梁、车门加强板、玻璃升降机、门锁结构等。

2)汽车座椅模块。其未来的发展趋势主要是座椅骨架的塑料化,以减轻座椅重量。目前普通乘用车的座椅主要采用金属骨架,部分赛车已经采用了塑料骨架,但价格昂贵。当工艺成熟和材料成本下降后,中高端车型可能会采用塑料座椅骨架。

3)前端模块。传统前端模块采用10~20个钢板冲压件焊接而成,为此,需要开发多达65套以上的模具,最终产品的重量为5.5千克。选用长玻璃纤维增强热塑性聚丙烯(PP-LGF30)制作前端模块,应用模压成形技术可将20多个冲压件有效地组合集成。只需开发一套模具,就可完成整个产品的一次性成形。相对金属冲压件,玻璃纤维复合材料制作的前端模块部件,其产品重量仅为3.5千克,实现部件减重30%。同时,还可减少150万元的前期模具投入费用,减少焊接、涂装等生产工序。

4)油底壳。油底壳是现代汽车发动机润滑系统中不可缺少的组成部分。油底壳的储油量是润滑系统的主要设计参数之一,油底壳的储油容积对“湿式”润滑系统中机油完成润滑、冷却、清洗、密封、防锈等功能具有重要的保障作用。合理的油底壳可促进汽车发动机结构简化,体积缩小,质量减轻。汽车发动机油底壳的材料将沿着环保、节能、节材、安全和低成本的方向发展,呈现多样化、多元化的发展趋势。

5)其他有可能塑料化的零部件还有悬挂装置、发动机舱盖、举升门盖等。总之,要达到汽车高效轻便这一要求,除提高发动机工作效率及传动效率外,降低汽车自重仍是一个很好的选择。因此,未来以塑代钢仍是汽车用材料的发展方向。

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