汽车尾门轻量化材料应用及发展趋势
2023-08-07 10:58 来源：复合材料体验馆、《上海汽车》 点击：216
汽车轻量化对汽车节油、降低排放、改善性能和汽车产业健康发展都具有重要意义，是现代汽车工业技术发展的方向。世界铝业协会的报告指出，汽车的自身质量每减少10%，燃油消耗可降低8%，而采用轻量化材料是整车轻量化的重要手段。汽车尾门是提供物品进出车辆后货舱的通道，保证行李箱内物品安全地与外界隔离，是汽车的重要组成部分。尾门对于车身零件来说相对独立，因此采用新材料不容易产生接触腐蚀，从而使轻量化材料的应用更加容易；相对于其他门盖零件来说尾门造型更加多变和复杂，并且需要集成扰流板、玻璃、雨刮和内饰等其他内、外饰零部件，这也使得尾门对轻量化材料的应用有更高的要求。
1 汽车尾门轻量化材料分类和结构
尾门上常用的轻量化材料按种类分主要有金属材料和非金属材料。金属材料尾门有钢尾门、铝合金尾门和镁合金尾门；非金属材料尾门主要有SMC尾门、PP-LGF尾门和碳纤维尾门等。尾门的结构通常由内板、外板和加强板构成（见图1）。外板的主要作用是满足造型对型面的需求，也满足一些外饰件，如扰流板、玻璃、饰板和尾灯等零件的安装和定位需求；内板是尾门的重要结构件，对尾门的刚度起决定性作用，同时也为线束、天线、水管和内饰等零件提供安装和定位点；加强板的主要作用是局部补强，对强度或者刚度要求较高的区域提供加强作用。
2 汽车尾门轻量化材料的应用
钢尾门是最常用的尾门材料，因其原材料价格低，成型和连接工艺成熟，使其在汽车上的应用极其广泛。目前在绝大多数市场上销售的汽车，其尾门材料都是钢。通常提高钢尾门轻量化的方法为结构设计和材料减薄，减重效率通常在5%−10%。但是随着结构的设计优化和材料减薄，零件的性能也会有不同程度的下降，其减重效率有不可突破的天花板。因此采用轻量化材料是进一步提升轻量化效果的选择，下文将对不同轻量化材料在尾门上的应用作具体解释和说明。
2.1 铝合金尾门
铝是一种常见的轻量化材料，其密度为2.7g/cm3。铝合金尾门相比传统钢尾门减重能够达到30%-40%，具有非常好的轻量化效果。铝合金尾门在奥迪、奔驰和宝马品牌的高端车型中经常使用，如奥迪A8L、宝马740Li和奔驰S450等，合资品牌中的中高端车型，如别克GL8和别克Ve⁃lite5、以及国产车型中的理想One等也都有应用。
铝合金尾门的成型工艺有冲压成型和铸造成型。目前大多数产品使用的是铝板冲压成型，常用的铝板厚度为0.8-1.5mm，铝板冲压具有成本低、效率高及表面质量好的优点。但是同样因为铝板本身的特点会导致产品比较脆，其断裂延伸率仅为22%（见图2），约为常用钢尾门材料的一半，在冲压过程中容易开裂，所以其成型性相比钢尾门较差。除了冲压成型的铝板，还有薄板铸铝，也可以用作铝内板的成型材料，铸铝在尾门上的应用可以通过设计壁厚来实现集成加强件（见图3），达到减少零件数量的目的，但是因为铸件的表面有较多的孔隙，并不适合用作外板，只能与冲压铝板配合使用。
2.2 镁合金尾门
镁是所有结构金属中最轻的，密度只有1.738g/cm3。其密度是铝的2/3、钢的2/9。镁具有较高的比强度和比弹性模量、良好的刚性、较高的阻尼性能和减振抗冲击能力。在相同的结构下，与先进的高强度钢、铝、塑料聚合物和玻璃纤维加固聚合物（GFRP）相比，镁合金具有更优的减重效果。
根据镁合金的成型工艺，目前有两种镁合金尾门，一种是铸造成型镁合金尾门；另外一种是薄板热胀成型镁合金尾门。铸造在镁合金的成型工艺上占主导地位，目前已经量产应用的有克莱斯勒的大捷龙等；镁合金板热胀成型工艺在通用汽车的某款三厢车后盖上也得到了量产应用（见图4）。相对铸造成型，镁合金板热胀成型的零件，其壁厚最薄可以达到1.2-2.5mm，因其壁厚更薄，相对铸造镁合金尾门来说减重效率会更高。
但是由于镁合金的表面质量不好，无法达到外观面的要求。因此只能作为结构件内板使用，外板则采用钢或者铝材料。当与异种材料连接时，需要注意镁合金的防腐处理，以免出现电化学腐蚀反应（见图5）。
2.3 SMC复合材料尾门
SMC（Sheet Molding Compound）材料是一种热固性材料，具有优异的机械性能、热稳定性和耐化学腐蚀性。同时SMC材料的可设计性也很好，可以通过设计料厚和结构，将在金属上需要拆分的加强板设计到一个内板上，实现系统的集成并降低制造成本及缩短尺寸公差等。一些欧系品牌更多采用SMC尾门，比如路虎、谛艾仕和沃尔沃等都有相应的产品推出。
SMC零件一般采用模压成型工艺，这是一种介于冲压工艺和注塑工艺之间的特殊成型工艺，零件原材料通过预加工被切割成大小和厚度不等的片状材料放入模具中，将模具加热使树脂受热发生化学交联反应，并通过模具加压实现一定形状的成型。通过模压成型的零件，通常需要切边和去毛刺，还需要通过后冲孔来完成零件开孔的需求，因此无法实现精确的零件尺寸公差。
SMC在材料配方中不可避免地会用到醛，因此需考虑SMC零件会有VOC气味。目前有一些国内的整车企业在研发低VOC的SMC产品配方，相信其成功开发能解决一部分对VOC较为敏感的汽车企业的需求。
SMC尾门有两代产品。第一代产品，其尾门内外板都由SMC材料成型，由于SMC材料良好的耐温性，使得SMC尾门可以随整车进行喷漆和涂装。并且可以使用与金属尾门同样的安装工艺，在整车企业的车身或者油漆车间进行装配，其整车工艺的兼容性非常好。但是SMC材料作为外观面，容易产生表面缺陷；因此市场上出现了第二代SMC尾门，其内板为SMC材料，外板为PP。PP为注塑成型，成型后可以通过线下涂装，涂装后与SMC内板粘接成总成，再运送至整车企业的总装车间安装上车。PP解决了SMC材料作为外板容易产生外观缺陷的问题，但是由于PP材料无法耐受整车企业油漆车间的高温，必须在线下涂装，因此其零件成本较高。
2.4 PP-LGF复合材料尾门
PP-LGF尾门是近几年来新兴的一种尾门材料，常用的内板是PP混合30%或者40%的玻纤，外板为PP材料，加强板是金属（见图6）。目前已经上市采用PP-LGF尾门的车型有日产奇骏、标志308S以及别克某车型等。PP-LGF内板常用的成型工艺为注塑成型，可以与金属加强板一起嵌件注塑成型，也可以单独注塑成型。
PP-LGF内板常用的厚度为2.5-3.5mm，设计中可以利用注塑工艺的优势，设计壁厚和各种加强筋，提高零件的结构强度和刚度，同时利用金属加强板对需要补强的位置实施加强，以达到与金属尾门相当的性能。
PP-LGF尾门相对传统钢尾门的优势为造型自由度更高、零件集成度更高、轻量化程度更高以及组装模块化程度高等。当尾门集成一部分外饰和内饰的情况下，PP-LGF尾门可以减少零件数量，提升开发效率，并且在最理想的情况下将尾门上的所有零件放在尾门供应商处安装，而在整车企业实现尾门模块化装配，提升装配效率。但是PP-LGF尾门在热膨胀方面也存在不足，需要在设计中注意高低温变形，避免在极限工况下尾门开合过程中与周边零件发生干涉。并且由于非金属材料和金属材料的断裂属性不一样，因此要特别关注安全碰撞的结果，以便根据碰撞的分析结果调整设计，从而解决问题。
2.5 碳纤维复合材料尾门
碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）是先进复合材料的典型代表，碳纤维的原材料为石油提取物，将提取出来的白色丙烯酸纤维细线经过拉伸、烘烤，直至变成黑色，就形成了碳纤维——这是一种比人类头发还细，但比钢铁还坚硬的材料，碳纤维具有密度小、力学性能优异、耐热及耐低温等优点。但由于价格和生产过程繁复等原因在批量生产上并未有较好的应用，价格和生产效率成为制约碳纤发展的瓶颈。新款普锐斯PHV尾门采用CFRP减重3kg。但是因为碳纤维对环境不友好，很难被自然分解，因此零件报废和回收将成为难点。
对于连续碳纤成型的尾门，一般先对碳纤维进行编制、铺层（见图7），最后通过RTM工艺成型零件。对于非连续的玻纤增强复合材料尾门，可以通过注塑成型。
通过CAE探索了碳纤维尾门的可行性。结果显示，碳纤维尾门完全能够达到尾门的强度和刚度要求。但是从成本和收益来说，碳纤维尾门的性价比较低，距离未来的大规模应用还需要一段时间。
3 汽车尾门轻量化材料发展趋势
目前市场上的车型中钢尾门仍然占主导地轻量化材料的尾门也各有优势，铝尾门和碳纤维尾门在减重方面效率更高；而PP-LGF尾门在造型和集成化方面则更有优势。随着新能源汽车的兴起，对尾门的轻量化、智能化以及造型多样化提出了更高的要求。
通过注塑成型的非金属材料更适合做尾门外板（如PP等），更适合造型多样的变化要求；同时非金属材料还具有透波甚至透光的特点，能够为整车造型和智能化提供更多的拓展空间。而对于尾门内板和加强板来说，主要承载着满足结构强度和性能要求的任务，因此强度更好的金属和碳纤维材料更适合。
从未来尾门轻量化材料的发展趋势来看，混合材料将成为一种趋势（见图8）。单种材料各有优势和劣势，混合材料尾门则能利用每种材料的特点，在合适的位置选用合适的材料，发挥每一种材料的优点，使尾门的轻量化达到更优的水平。
4 结语
尾门轻量化材料只是整车轻量化的一部分。目前汽车行业正在经历着从传统燃油车到清洁能源车转换的历史阶段，对整车各个零部件都有着不同的挑战，而零件轻量化就是其中一个重要的需求。相信随着金属材料和非金属材料的进一步研发和成本优化，将会有更多适合轻量化设计的材料出现，轻量化尾门也会出现更多的组合，进而给客户提供更优质的体验。
