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im体育网页版:汽车新材料的应用及发展趋势

发布时间:2022-07-21 03:37:34 来源:im体育网站 作者:im体育下载

  在“双碳”目标下,供应链领域实现碳减排的关键在于采用新技术、新材料、新工艺,从汽车零部件的开发设计到研究试制,从批量生产到原材料选用,几乎各个环节都可以深入挖掘潜力,减少碳排放。

  我国汽车产业在经过了多年高速增长后,正进入产业转型和技术升级的新时期。在“双积分”法规以及新能源汽车产业政策的双重驱动下,车用材料也迎来了新的发展机遇。传统以钢为主的汽车用材结构,正向钢铝混合、全铝车身、塑料复合材料和镁合金等多材料混合应用的趋势发展。

  整体来看,在全球节能与环保的大势所趋下,汽车材料的应用和发展始终围绕着“绿色、低碳、轻量化”这一大方向。在10月16日由中国汽车工业协会、重庆两江新区管理委员会联合主办的“2021中国汽车供应链大会”之主题论坛“汽车材料新动态”上,多位来自业内的专家学者和企业高层,分别基于自己的研究领域对目前汽车新材料的应用和发展做了深度分析,主要集中在碳纤维复合材料、高性能纤维、汽车用轻合金材料、碳陶复合材料等轻量化材料,以及低碳橡胶材料等绿色低碳材料,并对汽车材料的工艺技术发展及应用进行了阐述。

  中国汽车工业协会副秘书长罗军民认为,我国汽车工业的轻量化、智能化、电动化、网联化具备先发优势,但是在关键材料上还存在短板,需要原材料等基础产业的支撑,并与汽车领域之间架设有效“桥梁”,促进材料与汽车的融合创新,支撑汽车工业的高质量发展。

  东华大学教授、纤维材料改性国家重点实验室副主任余木火和中国石化仪征化纤有限责任公司、中国工程院院士蒋士成,都对碳纤维复合材料的应用和进展进行了研究。

  去年我国“双碳”目标的提出,倒逼CFRP(碳纤维复合材料)在量产车型的应用步伐加快。当前我国碳排放达110亿吨,其中电力占40%,汽车碳排放占7%,石油(70%用于汽车燃油)占15%,汽车节能降耗减排迫在眉睫,任重道远。而轻量化是节能减排的必由之路,随着碳纤维产业规模不断扩大,技术不断进步,产业链不断完善,成本不断降低,CFRP将成为汽车轻量化的重要途径之一。

  目前,汽车主机厂、零部件企业、材料供应商、碳纤维制造企业、研发机构等,均认同碳纤维在汽车轻量化的重要作用和发展前景。其中很多主机厂已经从研发样件、样车,到寻求量产车型应用碳纤维的整体解决方案,比如结构设计、自动化量产、批量应用示范等。

  从研发进展来看,我国已经突破量产车型应用碳纤维的技术经济瓶颈,一批量产车型开始使用碳纤维零部件,并出现了车用CFRP生产企业。在汽车主机厂中,如国新全碳纤维车身及其自动化生产线,上汽、北汽、长安、吉利、蔚来、特斯拉等量产车型已开始应用CFRP零部件;同时涌现出一批CFRP零部件生产供应企业,如澳盛科技、亨睿、卡莱、华渔传动科技等,都已建立了低成本自动化量产零部件应用示范生产线。

  蒋士成院士建议,国家应加大支持力度,建立中国汽车轻量化CFRP技术体系和供应链体系,形成量产车型应用示范效应,包括:碳纤维低成本化,汽车专用高模量低成本碳纤维;CFRP模块化设计,减少零部件数量,降低自动化生产难度;攻克碳纤维与金属混杂结构难题;研发CFRP低成本化自动化量产技术与装备,提高成型节拍(快速固化树脂、热塑性复合材料),降低CFRP成型成本。

  作为碳陶复合材料的研发机构之一,中南大学教授、湖南世鑫新材料有限公司董事长肖鹏团队代表,介绍了碳陶复合材料在乘用车制动盘上的应用及发展,并对目前存在的问题提出了建议和解决方案。

  乘用车碳陶制动盘目前所存在的问题是高成本。高成本限制了乘用车碳陶盘的推广和应用,目前国产碳陶盘应用主要集中在改装车这个领域。实现碳陶盘的低成本制备,建议可以从以下五个维度着手。

  首先是原材料方面,碳陶盘原材料成本大部分源自碳纤维,这部分可以通过优化碳纤维的牌号和含量来实现原材料成本的降低。

  其次是制备工艺方面,长纤盘制备周期长主要受限于热工艺,而热工艺又包含CVI增碳工艺和反应熔渗陶瓷化工艺,可以通过开发多料柱限域CVI工艺和快速熔融工艺来实现生产周期的大幅度降低。

  第三是智能化方面,因为碳陶盘的加工不同于传统金属盘,陶瓷组分的存在使其加工难度大和加工效率低。目前国内碳陶盘的机械加工多为非智能化生产,通过智能化在线检测和生产可以大幅度提高生产效率,进一步降低成本。

  第四是新工艺和新方法方面,也有很多工作可以做。当前长纤盘预制体是从方板上面切割下来,这样会形成中间和四个角五块余料,导致整个原材料的利用率非常低。中南大学研究团队目前正在开发近尺寸预制体成型工艺,该工艺可以直接制备出环形坯体和通风散热结构,这样就可以大大提高原材料的利用率,同时还可以减少制动盘的机械加工量,大幅度降低制备成本。

  第五个方面是能源价格。因为制备碳陶盘热工艺所需的温度高且时间长,用电量是非常大的,所以如果能够争取到优惠的能源专项价格,对于碳陶盘的成本降低非常有帮助。

  除了上述碳纤维复合材料和碳陶复合材料外,还有其他多种车用改性新材料。金发科技股份有限公司、汽车材料全球创新中心主任周英辉介绍了汽车行业改性新材料的发展趋势。

  从车用塑材开发的新需求来讲,集成了车辆的使用阶段,主要技术包括轻量化、复材、美学技术、创新功能、创新弹性体、创新特种材料等。其中轻量化的技术特点是首先有一个薄壁化的工程,比如保险杠慢慢过渡到更薄的,既能实现高减重,又能实现生产节拍的提高。

  还有一个轻量化的方案就是微发泡,包括成型方式,有一次性的欠注,还有满注成型,再通过松退,实现中间层的发泡,类似于三明治的结构。

  增强材料也有一些对高性能玻纤使用的提升,可以有10%-20%的性能提升。它长期的耐疲劳性表现也很好,甚至超越了长玻纤的材料。

  全塑车身结构的应用方面,以尾门为例,内板和外板用聚丙烯改性的材料,通过焊接的方式,实现整体的减重。其中内板还要考虑更多,比如钢度、强度、耐疲劳性,甚至要求有很好的散发特性。

  纳米注塑,类似通过二次注塑的形式,金属嵌件的形式,逐渐替代金属,达到减重的目的,大部分以工程材料为主,包括PPS、PBT等等。

  另外在功能方面,有电磁屏蔽材料,既能实现电磁屏蔽,又能实现导热,具有很广阔的应用前景。对于制件的表面标识,可以实现激光打标的材料也很多。还有透波类的,应用于保险杠相关的雷达组件,可以减少对雷达信号的影响。

  上海交通大学研究员、轻合金精密成型国家工程研究中心副主任蒋海燕代表中国工程院院士丁文江团队,针对其在铝合金和镁合金等汽车用轻合金材料的研究成果,提出轻量化是解决能源和环保等全球性问题的必然选择。

  对于车身结构件来说,其要求优异的强度与塑性,对材料要求较为严格。然而目前的车身零件仍以钢和铁制件为主,工艺以锻造和冲压为主,而铝合金车身结构件需满足“三位一体”的性能要求。丁文江院士团队研究发现,对于目前的应用来说,突破性的技术路线当属“Silafont®-36合金+高线热处理”。

  目前压铸铝合金车身结构件存在的问题是“强度低+高真空+热处理变形”,解决途径为“非热处理高强高韧合金+简单可控压铸工艺”。因此,开发非热处理高强韧压铸铝合金,拓宽其在承力结构件上的应用,对铝合金材料提出更高的要求。

  另一个汽车用轻合金材料——镁合金具有比重小、比强度高、比刚度高、吸振降噪、电磁屏蔽、容易回收等多个优点,汽车上可采用镁合金的零部件可达60~100个,从变速箱外壳、汽缸盖,到仪表板、转向架,广泛应用于传动、引擎、车体、底盘等系统的多个部件。

  随着镁合金新材料和成型新技术的进展,镁合金在汽车、3C产品、手动工具等领域的需求将会不断增多。同时,随着人们环境保护意识、低碳经济要求的不断提升和我国节能减排力度的不断加强,镁合金及镁加工产业将迎来其发展的黄金时机。

  近几年,随着汽车产业的发展和科技的进步,对轮胎的绿色化提出了要求,因为轮胎也有比较严重的碳排放问题。所以作为新一代轮胎,必须要实现绿色化。

  北京化工大学教授王朝团队经过多年的研究,针对轮胎用橡胶的碳排放问题给出了一些应对策略。其中最重要的是通过原材料控制,来达到降低碳排放的目的。

  北京化工大学研究团队近些年致力于开发第二代天然橡胶,在我国的新疆和哈萨克斯坦边界地区找到了一些野生的橡胶草,叫蒲公英橡胶草,其胶乳跟天然橡胶树的胶乳是一样的。目前,利用蒲公英提取的橡胶已经成功制造了几条轮胎,并获得了比较高的关注。

  北京化工大学副校长、教授张立群首次提出了“生物基工程弹性体”的概念。在之后的研究中,设计合成了原创的生物基衣康酸酯弹性体和生物基聚酯弹性体。

  其中生物基衣康酸酯橡胶产量比较大,成本较低,通过酯化实现了非常多的结构和性能的调控。利用这种橡胶做出的轮胎已进行了跑车实验,湿抓、抗湿滑、混凝土测试均得到了双B级。

  另一种生物基聚酯橡胶材料是可降解的。用生物基可降解聚酯橡胶做出的轮胎,是全球首批次的可降解轮胎。因为现在所有橡胶材料都是不可降解的,这是目前唯一可降解的橡胶材料,而且是北京化工大学独立自主开发的。

  当然,除了原材料之外,针对绿色助剂的开发,对废橡胶的回收利用,以及更节油的轮胎,对降低轮胎的碳排放都有助益。

  东风汽车集团有限公司技术中心质量验证中心非金属材料室室经理熊芬结合自身的实践,对“双碳”背景下的汽车新材料发展趋势进行了分析。

  “双碳”背景下,电动化、智能化、轻量化成为必然趋势。为了提高新能源汽车续航里程,对一些碳纤维材料提出了比较高的要求。围绕着“三电”系统,介电材料、导热材料、电磁屏蔽的开发也提上了日程。

  而对于智能化来说,特别是智能驾驶、智能座舱等,对智能材料从集成性、功能性、装饰性三大方面也提出了更高的要求。未来肯定要打造一些个性化的需求,所以在智能方面的材料技术,以及涂装的材料,特别是一些双阻力的材料,或者高减震的材料,需求大幅提升。

  从目前的整车材料分布比例来看,整车构成材料种类高达40多种,其中,金属材料占比72%,非金属材料包括油漆、轮胎等相关材料占比28%。从整车材料发展趋势来说,今后的发展方向是轻量化,在这方面也提出了比较高的要求。现在轻量化方面还是主要围绕上装和下装的开发,比如混合车身、铝材料底盘。

  另外,在车内内饰部分,因为要提升一些舒适性,所以像透光皮革,也成为未来内饰发展的趋势。目前已经实现了透光表皮中控扶手,能够满足消费者对整个区域软处包覆的要求。

  熊芬认为,汽车材料工艺技术现阶段的实现路径主要包含结构优化设计,以及高强钢、轻金属、工程塑料、复合材料及其相关的各种成形工艺技术,而未来的发展方向则要聚焦与优化设计和多材料混合应用。

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