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一、概述

 

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，人民的生活越來越好，汽車行業(yè)迎來了幾十年的高速發(fā)展期。然而汽車急劇增多的同時，也給環(huán)境和社會帶來一系列的問題，其中環(huán)境惡化的主要制造者之一就是汽車尾氣，因此汽車行業(yè)在保持高速發(fā)展的同時，也需要不斷創(chuàng)新。汽車行業(yè)科技創(chuàng)新涉及新材料技術(shù)、新信息技術(shù)、新能源技術(shù)、新裝備技術(shù)等，汽車正沿著智能化、輕量化、低碳化的方向快速發(fā)展。

 

　　在汽車新材料領(lǐng)域，目前眾多全球頂尖科技材料企業(yè)均大力加強與汽車相關(guān)的前沿技術(shù)和新材料的研發(fā)。本文對新材料在汽車中的應(yīng)用加以歸納和整理。

 

　　汽車所用的材料可反映人類在材料領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展水平。車用主要材料如鋼﹑合金﹑塑料﹑鋁﹑橡膠﹑玻璃等6類，約占汽車質(zhì)量的90%，其他材料包括涂料、有色金屬（鎳、銅、鉛、鋅、錫等），車中裝備的燃料，汽車用電池（包括新能用汽車用鋰電池）、面漆、纖維等其他高分子復(fù)合材料。 

 

      近幾年汽車行業(yè)中新材料的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)成為研究的熱點，新材料的研發(fā)和應(yīng)用主要分為以下3個方面，分別是汽車輕量化材料、汽車用納米材料、其他功能性材料。

 

二、汽車輕量化材料

 

　　根據(jù)中華人民共和國環(huán)保部公布的《中國機(jī)動車環(huán)境管理年報（2017）》：我國已連續(xù)8年成為世界機(jī)動車生產(chǎn)和銷量第1大國，機(jī)動車排放的尾氣已成為我國空氣污染和霧霾的重要來源，尤其在是機(jī)動車密集的城市地區(qū)，機(jī)動車尾氣污染占比更大，污染防治的緊迫性顯著。

 

　　解決汽車尾氣污染的一個重要路徑就是汽車輕量化材料的使用。目前汽車輕量化的主要措施是用密度低的輕質(zhì)材料取代鋼鐵，可用輕質(zhì)材料有碳纖維、鋁、鎂、鈦、塑料、其他復(fù)合材料等。所謂汽車的輕量化，指在保證汽車的強度和安全性能的不降低的條件下，盡可能地降低汽車的整體質(zhì)量，提高汽車的動力性能，進(jìn)而減少汽車燃料的消耗，降低汽車排氣污染。有實驗結(jié)果表明，汽車整車質(zhì)量降低10%，汽車燃油效率可提高6%～8%;汽車整配質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L。在環(huán)保形勢日益嚴(yán)峻和汽車節(jié)能的需要，汽車輕量化材料的使用已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的一個主要方向。

 

1.碳纖維

 

　　碳纖維復(fù)合材料是目前工程上可以大規(guī)模應(yīng)用比強度最高的材料，已經(jīng)廣泛于汽車領(lǐng)域。碳纖維比普通鋼輕50%，強度卻是鋼的7倍以上，其最早用于航空、航天、船舶、軍工等高科技領(lǐng)域。業(yè)界公認(rèn)，CFRP(碳纖維增強復(fù)合材料)是目前解決燃油車和新能源汽車減重的最好方法，碳纖維的應(yīng)用可使汽車減重30%～60%，被譽為“輕量化之王”，是汽車“瘦身革命”的領(lǐng)導(dǎo)者，在汽車輕量化方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

 

　　碳纖維復(fù)合材料目前已經(jīng)在高端車、超跑、賽車、改裝車、限量版車型以及少量的電動車上開始大量應(yīng)用。目前，碳纖維復(fù)合材料在汽車零部件中的應(yīng)用主要分布在汽車車身、內(nèi)外飾、底盤系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等等。

 

　　碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車車身減輕質(zhì)量40%～60%，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/3～1/6，目前賽車和部分改裝車大多選用碳纖維復(fù)合材料車身，在降低質(zhì)量的同時，因復(fù)合材料碰撞時減少了碎片的產(chǎn)生，從而提高了安全性。碳纖維復(fù)合材料的使用使得輪轂質(zhì)量得到降低，有助于減少車輪轉(zhuǎn)動慣量，使車輛擁有更快的啟動、停止以及轉(zhuǎn)向速度。碳纖維復(fù)合材料制動盤可以在50m內(nèi)將車速由300km/h降至50km/h。碳纖維制動盤可承受2 500℃的高溫，且性能穩(wěn)定。而用碳纖維做的傳動軸不僅可減輕其質(zhì)量的60%[1]，而且具有更好的耐疲勞特性和耐久性。碳纖維內(nèi)外飾材料的使用，除了汽車輕量化，還簡化零件制造工藝，降低零件加工、裝配、維修費用，降低生產(chǎn)成本。碳纖維復(fù)合材料作為汽車進(jìn)氣系統(tǒng)材料，一方面可減輕質(zhì)量，達(dá)到輕量化的效果；另一方面，碳纖維材料易加工成各種曲面形狀，且表面較為光滑，可有效提高進(jìn)氣效率。而碳纖維良好的高溫性能使其在發(fā)動機(jī)領(lǐng)域得以應(yīng)用。

 

　　美國通用汽車公司、蘭博基尼汽車公司、寶馬集團(tuán)都有車型大量使用，其中寶馬公司在碳纖維增強復(fù)合材料 (CFRP)的應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位。

 

2. 鋁合金材料

 

　　與汽車用鋼鐵材料相比，鋁合金型材具有密度?。?.72g/cm3）、比強度高、抗沖擊性能好和高的可再生回收利用率，已經(jīng)逐漸被汽車行業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是汽車輕量化過程中最有前途的金屬材料之一，因此鋁合金受到了產(chǎn)業(yè)和企業(yè)的廣泛關(guān)注。

 

　　鋁合金主要的有以下5大優(yōu)點：①使用鋁合金材料的汽車比使用傳統(tǒng)鋼鐵材料的汽車質(zhì)量降低四成左右；②使用鋁合金材料的汽車，具有更高的安全系數(shù)；③和同級別同等條件下采用傳統(tǒng)材料的汽車相比，能耗減少近50%；④鋁合金有更高的資源回收率和再生利用率，有效的減少資源浪費和對環(huán)境的污染；⑤使用鋁合金制作的汽車在尾氣的排放上明顯降低，用鋁合金制作的新能源汽車?yán)m(xù)航里程更長。因此，加快對鋁合金材料的研究，能夠促進(jìn)汽車行業(yè)快速向前發(fā)展。

 

3. 鎂合金材料

 

　　鎂合金是汽車輕量化的另外一種理想材料。它具有密度低(1.74g/cm3)、比強度高、韌性好、阻尼性好、可鑄性高等優(yōu)良性能，把鎂合金做成汽車結(jié)構(gòu)件，可以有效減輕汽車質(zhì)量，進(jìn)而大幅提高汽車各項性能。此外鎂合金的減振系數(shù)遠(yuǎn)高于鋼鐵和鋁合金，具有優(yōu)異的抗沖擊性能。鎂合金的散熱性好、導(dǎo)熱率高，有優(yōu)良的抗電磁干擾特性。鎂合金自動化生產(chǎn)能力和模具壽命高、尺寸穩(wěn)定，作為最輕的工程材料，鎂合金不僅是最適合鑄造汽車零部件的材料，也是最有效的汽車輕量化材料。

 

　　另外地球上鎂金屬的儲量十分豐富，約占地球地殼2.7%（質(zhì)量），其開采壽命分別為鐵（Fe）和鋁（Al）元素的20倍和4倍。此外我國鎂儲量巨大，已探明的約占世界70%的儲量，白云石（制造鎂合金的基礎(chǔ)原材料）儲備已經(jīng)超過70億t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國家，我國大力發(fā)展鎂合金產(chǎn)業(yè)對我國意義重大。我國單車用鎂量僅為1.5kg，歐洲單車用量已達(dá)14kg，成長空間巨大。

 

　　在汽車上使用鎂合金較多的國家主要是美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家。德國在汽車用鎂合金領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位。早在20世紀(jì)30年代，大眾汽車就開始使用鎂合金作為汽車的結(jié)構(gòu)件材料。奧迪和奔馳也在大量使用鎂合金作為汽車材料。

 

4.高強度鋼合金

 

　　當(dāng)前，大多數(shù)汽車制造商致力于降低車身質(zhì)量，輕量化是汽車節(jié)能減排最有效的途徑，然而，汽車強度和安全性也不容忽視。先進(jìn)高強度鋼因其獨特優(yōu)勢，可滿足汽車行業(yè)提出的上述要求。先進(jìn)高強度鋼的強度高，在車身的設(shè)計及應(yīng)用上可以合理減薄，在確保安全性的前提下達(dá)到減重效果。

高強度鋼板是在普通碳素鋼的基礎(chǔ)上，在制造的過程中加入少量合金元素（錳、Al等），生產(chǎn)的特殊鋼材。這種特種鋼板的制造成本與普通碳素鋼接近，但合金元素（錳、Al等）的強化作用使其抗拉強度比普通鋼板有顯著的增長。

 

(1)可減輕汽車零部件的質(zhì)量

若鋼板的強度提高40～50?MPa，車身外板制件的板厚可減小20%左右。

 

(2)用于車身外部結(jié)構(gòu)件

在性能要求不變的條件下，高強度特種鋼可減薄零部件的厚度，同時高強度鋼具有烘烤硬化性能當(dāng)表面經(jīng)過油漆烘烤后，零部件表面硬度有部分提高，這就大幅提高汽車外表面制件的抗凹陷和擊打性能。

 

(3)可加工硬化率比普通鋼板高

高強度鋼可以吸收更多的沖擊能量，非常適合用于汽車底架的前后縱梁等處，以及汽車上要求高強度和耐久性的部位。隨著高強度鋼板在車身中的比例不斷提升，與碰撞相關(guān)的關(guān)鍵的車身骨架構(gòu)件全部采用超高強度鋼板，這就加強了車身整體的強度及抗撞性，提高了車身的安全性能。

 

5.塑料

 

　　塑料制品因為其密度輕，在汽車上大量使用將有助于減輕汽車整體質(zhì)量。隨著高功能塑料材料在汽車行業(yè)上的應(yīng)用，汽車輕量化問題得到了一定程度的解決。目前汽車行業(yè)對樹脂（尼龍、聚丙烯、聚氨酯）和其他工程塑料的需求量巨大，市場容量約占樹脂市場需求總量的29%以上。在汽車上，保險杠、離合器執(zhí)行系統(tǒng)、車燃油箱、車身覆蓋件與底盤、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣岐管等眾多的部件上均可以看到塑料材料的組成部分。相比傳統(tǒng)的合金材料，塑料材料的零部件具有很多獨特的優(yōu)勢。

　

　　塑料制品生產(chǎn)成本低，易于加工成各種復(fù)雜的形狀，尤其是在汽車各種復(fù)雜部件的連接處，這就大幅減少汽車集成過程中所用的部件數(shù)。

　　工程塑料的彈性模量大，變形過程中能夠大量吸收碰撞產(chǎn)生的能量，這對強烈撞擊有很大的緩沖作用，這極大保護(hù)了車輛和乘客；塑料耐酸堿，抗腐蝕性強，即使局部受損也不會腐蝕，而鋼材或者其他合金一旦油漆面受損或者先期防腐措施做的不好的情況下，材料極易發(fā)生銹腐蝕，這既影響了車體的美觀，也會對汽車形成重大安全隱患。

 

三、 汽車用納米材料

 

　　納米材料是指材料尺寸在1～100nm的材料，在這種尺寸上對材料進(jìn)行研究和加工的技術(shù)稱為納米技術(shù)。當(dāng)某一種物質(zhì)降到納米級別時，其物理性能和化學(xué)性能都將產(chǎn)生質(zhì)的變化，這些變化滲透可以廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，汽車領(lǐng)域也不例外。

 

　　在汽車用的橡膠輪胎產(chǎn)品中加入一定數(shù)量的納米材料（通常為納米碳材料），可大幅度提高輪胎的耐磨性、耐溫性和介電常數(shù)，這使輪胎的使用壽命大幅提高。傳統(tǒng)的橡膠輪胎產(chǎn)品生產(chǎn)過程中通常用炭黑作為補強填充劑和耐磨劑，作為粉體材料，目前重要的發(fā)展方向是向納米材料領(lǐng)域發(fā)展。利用納米材料代替炭黑生產(chǎn)的特種輪胎不僅色彩明艷，而且各項性能也大幅提高，有實驗結(jié)果表明輪胎側(cè)面膠的抗折性能由原來的10萬次提高到現(xiàn)在的50萬次以上。

 

　　汽車外表面需要多層涂料的保護(hù)和裝飾，這對汽車涂層提出了更高的要求。涂層除要有多變的外表外，還要有優(yōu)良的耐久性和抗腐蝕能力，這包括抵抗大氣紫外線、抗老化、抗酸雨等化學(xué)物質(zhì)的侵蝕和表面抗劃痕性。而有些納米材料，具有特有的抗紫外線、良好的靜電屏蔽效應(yīng)、加入到基材中使基材具有高強度和高韌度，以及強大的抗菌除臭功能，因而納米材料在汽車涂料應(yīng)用的場景中有著廣闊的市場空間。納米材料在涂料中的開發(fā)和利用已經(jīng)成為當(dāng)前汽車用涂料研究和開發(fā)的熱點。納米材料可以廣泛的應(yīng)用在汽車底漆、中間涂料和面漆（含罩光清漆）等涂料中。

 

　　在汽車尾氣凈化催化劑中，有大量納米材料存在，并且發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，當(dāng)常規(guī)稀土化合物換成稀土納米材料后大幅提高了尾氣中的一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）的轉(zhuǎn)化效率，轉(zhuǎn)化效率在95%以上。

 

　　加入納米材料的汽油乳化劑，能對汽油品質(zhì)進(jìn)行改造，最大限度地促進(jìn)汽油充分燃燒，減少污染物排放。加入納米材料的乳化劑，在燃燒前這些納米級的微乳化劑液珠在高溫條件下氣化而發(fā)生“微爆”，這使燃油形成二次霧化，促使燃油在發(fā)動機(jī)內(nèi)更加充分的燃燒，從而達(dá)到汽車節(jié)能減放的效果和目的，同時增加發(fā)動機(jī)的輸出功率。

 

　　日本科研工作人員通過用特殊化學(xué)方法來處理納米級別的纖維素(CNF)制成的木漿，并將這些納米纖維素加入到塑料中制造而成了一種塑料新材料。制成塑料的強度可以與鋼鐵相媲美，而質(zhì)量只有鋼鐵質(zhì)量的20%，這可用于大量替代汽車的鋼制結(jié)構(gòu)部件。

 

　　汽車用鉛酸電池和鉛炭電池電池也在往納米化發(fā)展，在電池中加入正負(fù)極中加入納米碳材料，可提供鉛酸電池的容量，使電池充電時間，大幅延長電池使用壽命等。

 

　　在新能源汽車核心部件的動力電池中，正負(fù)極極片中都有大量納米材料的存在，他們在電池的循環(huán)充放電、壽命、安全特性等起著具足輕重的作用。

 

四、其他功能性材料

 

　　陶瓷材料在汽車工業(yè)上也用途廣泛，主要以功能性材料出現(xiàn)。鎂鋁硅酸鹽材質(zhì)的陶瓷可用于柴油機(jī)微粒過濾器中，過濾柴油燃燒過程中產(chǎn)生的細(xì)微顆粒。汽車上合理選擇陶瓷材料的孔大小以及孔隙率，可使過濾清潔效率達(dá)95%以上。過濾器再生溫度很高，有些可達(dá)1 300℃以上，如果使用金屬或者合金過濾器，需要用特種耐熱鋼或者高溫合金，這極大的提高了過濾器的成本。

 

　　新能源汽車產(chǎn)銷的快速增長，我國的動力電池產(chǎn)業(yè)有了長足的發(fā)展。新能源汽車的核心部件當(dāng)屬汽車動力電池，也就是新能源汽車的能量來源，直接決定了汽車的續(xù)航里程。動力電池主要由正極、負(fù)極、電解液、隔膜等組成，要求高能量密度、長壽命、可靠安全。三元電池和磷酸鐵鋰電池在乘用車和商用車領(lǐng)域都是主導(dǎo)應(yīng)用，目前乘用車電池以三元為主，商用車電池以磷酸鐵鋰電池為主。其中動力電池里面涉及的新材料更廣，如石墨烯、硅碳負(fù)極、三元正極、固態(tài)電解質(zhì)等。其中石墨烯作為唯一的超級材料，在汽車動力電池、汽車輕量化、自動化、智能化等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用場景，將會極大推動汽車產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。

 

五、結(jié)語

 

　　汽車行業(yè)處在高速發(fā)展的過程中，汽車用新材料將會占據(jù)著舉足輕重的地位。未來汽車行業(yè)的發(fā)展，將主要取決于新材料技術(shù)的發(fā)展水平和制造水平。中國目前在碳纖維、鋁合金等新材料方面離美日等發(fā)達(dá)國家都有不少差距，我國汽車新材料制造業(yè)雖然有所發(fā)展，但散、亂、差的局面尚未得到有效解決，規(guī)模小而分散，制約了我國汽車行業(yè)的發(fā)展。我國要加強新材料在汽車上的使用以及新制備工藝的研發(fā)，促進(jìn)我國汽車產(chǎn)業(yè)的長久進(jìn)步。

 

文/李春曉

北京化工大學(xué)