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    汽车用新材料的最新进展
    时间:2019-03-13 11:16:21    来源:新材料产业  

    一、概述

      随着我国经济不断的发展,人民的生活越来越好,汽车行业迎来了几十年的高速发展期。然而汽车急剧增多的同时,也给环境和社会带来一系列的问题,其中环境恶化的主要制造者之一就是汽车尾气,因此汽车行业在保持高速发展的同时,也需要不断创新。汽车行业科技创新涉及新材料技术、新信息技术、新能源技术、新装备技术等,汽车正沿着智能化、轻量化、低碳化的方向快速发展。


      在汽车新材料领域,目前众多全球顶尖科技材料企业均大力加强与汽车相关的前沿技术和新材料的研发。本文对新材料在汽车中的应用?#21491;?#24402;纳和整理。


      汽车所用的材料可反映人类在材料领域的技术发展水平。车用主要材料如钢﹑合金﹑塑料﹑铝﹑橡胶﹑玻璃等6类,约占汽车质量的90%,其他材料包括涂料、有色金属(镍、铜、铅、锌、锡等),车中装备的燃料,汽车用电池(包括新能用汽车用锂电池)、面漆、纤维等其他高分子复合材料。

    近几年汽车行业中新材料的研发和应用已经成为研究的热点,新材料的研发和应用主要分为以下3个方面,分别是汽车轻量化材料、汽车用纳米材料、其他功能性材料。


    二、汽车轻量化材料

      根据中华人民共和国环保部公布的《中国机动车环境管理年报(2017)》:我国已连续8年成为世界机动车生产和销量第1大国,机动车排放的尾气已成为我国空气污染和雾霾的重要来源,尤其在是机动车密集的城?#26800;?#21306;,机动车尾气污染?#24613;?#26356;大,污染防治的紧迫性显著。


      解决汽车尾气污染的一个重要路径就是汽车轻量化材料的使用。目前汽车轻量化的主要措施是用密度低的轻质材料取代钢铁,可用轻质材料有碳纤维、铝、镁、钛、塑料、其他复合材料等。所谓汽车的轻量化,指在保证汽车的强度和安全性能的不降低的条件下,尽可能地降低汽车的整体质量,提高汽车的动力性能,进而减少汽车燃料的消耗,降低汽车排气污染。有实验结果表明,汽车整车质量降低10%,汽车?#21152;?#25928;率可提高6%~8%;汽车整配质量?#32771;?#23569;100kg,百公里油耗可降低0.3~0.6L。在环保形势日益严峻和汽车节能的需要,汽车轻量化材料的使用已经成为世界汽车发展的一个主要方向。


    1.碳纤维

      碳纤维复合材料是目前工程上可?#28304;?#35268;模应用比强度最高的材料,已经广泛于汽车领域。碳纤维比普通?#26234;?0%,强?#28909;?#26159;钢的7倍以上,其最早用于航空、航天、船舶、军工等高科?#21058;?#22495;。业界公认,CFRP(碳纤维增强复合材料)是目前解决?#21152;?#36710;和新能源汽车减重的最好方法,碳纤维的应用可使汽车减重30%~60%,被誉为“轻量化之王?#20445;?#26159;汽车“瘦身革命”的领导者,在汽车轻量化方面发挥着关键作用。


      碳纤维复合材料目前已经在高端车、超跑、赛车、改装车、限量版车型以及少量的电动车上开始大量应用。目前,碳纤维复合材料在汽车零部件中的应用主要分布在汽车车身、内外饰、?#30528;?#31995;统、动力系?#36710;?#31561;。


      碳纤维复合材料的应用可使汽车车身减轻质量40%~60%,相当于钢结构质量的1/3~1/6,目前赛车和部分改装车大多选用碳纤维复合材料车身,在降低质量的同时,因复合材料碰撞时减少了碎片的产生,从而提高了安全性。碳纤维复合材料的使用使得轮毂质量得到降低,有助于减少车轮转动惯量,使车?#23621;?#26377;更快的启动、停止以及转向速度。碳纤维复合材料制动盘可以在50m内将车速由300km/h降至50km/h。碳纤维制动盘可承受2 500℃的高温,且性能稳定。而用碳纤维做的传动轴不仅可减轻其质量的60%[1],而且具有更好的耐疲劳特?#38498;?#32784;久性。碳纤维内外饰材料的使用,除了汽车轻量化,还简化零件制造工艺,降低零件加工、装配、维修费用,降低生产成本。碳纤维复合材料作为汽车进气系统材料,?#29615;?#38754;可减轻质量,达到轻量化的效果;另?#29615;?#38754;,碳纤维材料易加工成各?#26234;?#38754;形状,且表面较为光滑,可?#34892;?#25552;高进气效率。而碳纤维良好的高温性能使其在发动机领域得以应用。


      美国通用汽车公?#23613;?#20848;博基尼汽车公?#23613;?#23453;马集团?#21152;?#36710;型大量使用,其中宝马公司在碳纤维增强复合材料 (CFRP)的应用方面处于领先地位


    2. 铝合金材料

      与汽车用钢铁材料相比,铝合金型材具有密度小(2.72g/cm3)、比强度高、抗冲击性能好和高的可再生回收利用率,已经逐渐被汽车行?#30340;?#20844;认为是汽车轻量化过程中最有前途的金属材料之一,因此铝合金受到了产业和企业的广泛关注。


      铝合金主要的有以下5大优点:①使用铝合金材料的汽车比使用传统钢铁材料的汽车质量降低四成左右;②使用铝合金材料的汽车,具有更高的安全系数;③和同级别同等条件下采用传统材料的汽车相比,能耗减少近50%;④铝合金有更高的资源回收率和再生利用率,?#34892;?#30340;减少资源浪费和对环?#36710;?#27745;染;⑤使用铝合金制作的汽车在尾气的排放上明?#36234;?#20302;,用铝合金制作的新能源汽车续航里程更长。因此,加快对铝合金材料的研究,能够促进汽车行业快速向前发展。


    3. 镁合金材料

      镁合金是汽车轻量化的另外一种理想材料。它具有密度低(1.74g/cm3)、比强度高、韧?#38498;謾?#38459;尼?#38498;謾?#21487;铸性高等优良性能,把镁合金做成汽车结构件,可以?#34892;?#20943;轻汽车质量,进而大幅提高汽车各项性能。此外镁合金的减振系数远高于钢铁和铝合金,具有优异的抗冲击性能。镁合金的散热?#38498;謾?#23548;热率高,有优良的抗电磁干?#30424;?#24615;。镁合金自动化生产能力和模具寿命高、尺寸稳定,作为最轻的工程材料,镁合金不仅是最适合铸造汽车零部件的材料,也是最?#34892;?#30340;汽车轻量化材料。


      另外地球上镁金属的储量十分丰富,约占地球地壳2.7%(质量),其开采寿命分别为铁(Fe)和铝(Al)元素的20倍和4倍。此外我国镁储量巨大,已探明的约?#38469;?#30028;70%的储量,?#33258;?#30707;(制造镁合金的基础原材料)储备已经超过70亿t,?#23545;?#39640;于其他国家,我国大力发展镁合金产业对我国意义重大。我国单车用镁量仅为1.5kg,?#20998;?#21333;车用量已达14kg,成长空间巨大。


      在汽车上使用镁合金较多的国家主要是美国、日本、?#20998;?#31561;发达国家。德国在汽车用镁合金领域一直处于世界领先地位。早在20世纪30年代,大众汽车就开始使用镁合金作为汽车的结构件材料。奥迪和奔驰也在大量使用镁合金作为汽车材料。


    4.高强度钢合金

      当前,大多数汽车制造商致力于降低车身质量,轻量化是汽车节能减排最?#34892;?#30340;途径,然而,汽车强度和安全性也不容忽视。先进高强度钢因其独特优势,可满足汽车行业提出的上述要求。先进高强度钢的强度高,在车身的设计及应用上可?#38498;?#29702;减薄,在确保安全性的前提下达到减重效果。

    高强度钢板是在普通碳素钢的基础上,在制造的过程中加入少量合金元素(锰、Al等),生产的特殊钢材。这种特种钢板的制造成?#23621;?#26222;通碳素钢接近,但合金元素(锰、Al等)的强化作用使其抗拉强度比普通钢板有显著的增长。


    (1)   可减轻汽车零部件的质量

    若钢板的强度提高40~50?MPa,车身外板制件的板厚可减小20%左右。


    (2)   用于车身外部结构件

    在性能要求不变的条件下,高强度特种钢可减薄零部件的厚度,同时高强度钢具有烘?#23621;?#21270;性能当表面经过油漆烘烤后,零部件表面硬度有部分提高,这就大幅提高汽车外表面制件的抗凹陷和击打性能。


    (3)   可加工硬化?#26102;?#26222;通钢板高

    高强度钢可以吸收更多的冲击能量,非常适合用于汽车底架的前后纵梁等处,以及汽车上要求高强度和耐久性的部位。随着高强度钢板在车身中的比例不断提升,与碰撞相关的关键的车身骨架构件全部采用超高强度钢板,这就加强了车身整体的强度及抗撞性,提高了车身的安全性能。


    5.塑料

      塑料制品因为其密度轻,在汽车上大量使用将有助于减轻汽车整体质量。随着高功能塑料材料在汽车行业上的应用,汽车轻量化问题得到了一定程度的解决。目前汽车行业对树脂(尼龙、聚丙烯、聚氨酯)和其他工程塑料的需求量巨大,市场容量约?#38469;?#33026;市场需求总量的29%以上。在汽车上,保险杠、离合器执行系统、车?#21152;?#31665;、车身覆盖件与?#30528;獺?#21457;动机进气岐管等众多的部件上均可以看到塑料材料的组成部分。相比传?#36710;?#21512;金材料,塑料材料的零部件具有很多独特的优势。


      塑料制品生产成本低,?#23376;?#21152;工成各种复杂的形状,尤其是在汽车各种复杂部件的连接处,这就大幅减少汽车集成过程中所用的部件数。


      工程塑料的弹性模量大,变形过程中能够大量吸收碰撞产生的能量,这对强?#26131;不?#26377;很大的缓冲作用,这极大保护了车辆和?#19997;停?#22609;料耐酸碱,抗腐蚀性强,即使局部受损也不会腐蚀,而钢材或者其他合金一旦油漆面受损或者先期?#26639;?#25514;施做的不好的情况下,材料极易发生锈腐蚀,这既影响了车体的美观,也会对汽车形成重大安全隐患。


    三、 汽车用纳米材料

      纳米材料是指材料尺寸在1~100nm的材料,在这种尺寸上对材料进行研究和加工的技术称为纳米技术。当某一?#27835;?#36136;降到纳米级别时,其物理性能和化学性能都将产生质的变化,这些变化渗透可以广泛应用到各个领域,汽车领域也不例外。


      在汽车用的橡胶轮胎产品中加入一定数量的纳米材料(通常为纳米碳材料),?#32433;?#24133;度提高轮胎的耐磨性、耐温?#38498;?#20171;电常数,这使轮胎的使用寿命大幅提高。传?#36710;?#27233;胶轮胎产品生产过程中通常用炭黑作为补强填充剂和耐磨剂,作为粉体材料,目前重要的发展方向是向纳米材料领域发展。利用纳米材料代替炭黑生产的特种轮胎不仅色彩明艳,而且各项性能也大幅提高,有实验结果表明轮胎侧面胶的抗折性能由原来的10万次提高到现在的50万?#25105;?#19978;。


      汽车外表面需要多层涂料的保护和装饰,这对汽车涂层提出了更高的要求。涂层除要有多变的外表外,还要有优良的耐久?#38498;涂?#33104;蚀能力,这包括抵抗大气紫外线、抗老化、抗酸雨等化学物质的?#36136;?#21644;表面抗划痕性。而?#34892;?#32435;米材料,具有特有的抗紫外线、良好的静电屏蔽效应、加入到基材中使基材具有高强度和高韧度,以及强大的抗菌除臭功能,因而纳米材料在汽车涂料应用的场景中有着广阔的市场空间。纳米材料在涂料中的开发和利用已经成为当前汽车用涂料研究和开发的热点。纳米材料可以广泛的应用在汽车底漆、中间涂料和面漆(含?#27490;?#28165;漆)等涂料中。


      在汽车尾气净化催化剂中,有大量纳米材料存在,并且发挥着至关重要的作用,当常规稀土化合物换成稀土纳米材料后大幅提高了尾气中的一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)的转化效率,转化效率在95%以上。


      加入纳米材料的汽油乳化剂,能对汽油品质进行改造,最大限度地促进汽油充分燃烧,减少污染物排放。加入纳米材料的乳化剂,在燃烧前这些纳米级的微乳化剂液珠在高温条件下气化而发生“微爆?#20445;?#36825;使?#21152;?#24418;成二次雾化,促使?#21152;?#22312;发动机内更加充分的燃烧,从而达到汽车节能减放的效果和目的,同时增加发动机的输出功率。


      日本科研工作人员通过用特殊化学方法来处理纳米级别的纤维素(CNF)制成的木浆,并将这些纳米纤维素加入到塑料中制造而成了一种塑料新材料。制成塑料的强度可以与钢铁相媲美,而质量只有钢铁质量的20%,这可用于大量替代汽车的钢制结构部件。


      汽车用铅酸电池和铅炭电池电池也在往纳米化发展,在电池中加入正负极中加入纳米碳材料,可提供铅酸电池的容量,使电池充电时间,大幅?#26144;?#30005;池使用寿命等。


      在新能源汽车核心部件的动力电池中,正负极极片中?#21152;?#22823;量纳米材料的存在,他们在电池的循环充放电、寿命、安全特性等起着具足轻重的作用。


    四、其他功能性材料

      陶瓷材料在汽车工业上也用途广泛,主要以功能性材料出现。镁铝硅酸盐材质的陶瓷可用于柴油机微粒过滤器中,过滤柴油燃?#23637;?#31243;中产生的细微颗粒。汽车上合理选择陶瓷材料的孔大小以及?#32043;?#29575;,可使过滤清洁效率达95%以上。过滤器再生温?#32676;?#39640;,?#34892;┛纱? 300℃以上,如果使用金属或者合金过滤器,需要用特种耐热钢或者高温合金,这极大的提高了过滤器的成本。


      新能源汽车产销的快速增长,我国的动力电池产业有了长足的发展。新能源汽车的核心部件当属汽车动力电池,也就是新能源汽车的能量来源,直接决定了汽车的续航里程。动力电池主要由正极、负极、电解液、隔膜等组成,要求高能量密度、长寿命、可靠安全。三元电池和磷酸铁锂电池在乘用车和商用车领域都是主导应用,目前乘用车电池以三元为主,商用车电池以磷酸铁锂电池为主。其中动力电池里面涉及的新材料更广,如石墨烯、硅?#20960;?#26497;、三元正极、固态电解质等。其中石墨烯作为唯一的超级材料,在汽车动力电池、汽车轻量化、自动化、智能化等领域有着广阔的应用场景,将会极大推动汽车产业的进步。


    五、结语

      汽车行业处在高速发展的过程中,汽车用新材料将会占据着举足轻重的地位。未来汽车行业的发展,将主要取决于新材料技术的发展水平和制造水平。中国目前在碳纤维、铝合金等新材料方面离美日等发达国家?#21152;?#19981;少差距,我国汽车新材料制造业虽然有所发展,但散、乱、差的局面尚未得到?#34892;?#35299;决,规模小而分散,制?#21058;?#25105;国汽车行业的发展。我国要加强新材料在汽车上的使用以及新制备工艺的研发,促进我国汽车产业的长久进步。


    文/李?#21512;?/p>

    ?#26412;?#21270;工大学


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