未來汽車行業(yè)的發(fā)展與材料應(yīng)用

鐘健康

西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西西安 710068

1 現(xiàn)在汽車制造的主要材料種類

1.1 鋼

什么是鋼？鋼是以鐵和碳為基本元素的鐵碳合金，且以鐵為主，碳占少于2%的比重的合金。因其具有高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，在汽車生產(chǎn)中，鋼常用于提高汽車結(jié)構(gòu)件（車身和底盤）堅(jiān)硬度的材料，還包括一些重要零件。鋼作為汽車生產(chǎn)的主體，它發(fā)揮的作用毋庸置疑?，F(xiàn)在的汽車生產(chǎn)過程中，鋼的主要制造形式有以下幾種。最常見的是碳素合金鋼，在市場上以其價(jià)格便宜和具有其一定力學(xué)性能大量用于各種金屬構(gòu)件的制造；低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，加入少量合金元素Mn、Si等，形成強(qiáng)度高，加工性能良好的結(jié)構(gòu)鋼；優(yōu)質(zhì)碳素合金鋼，根據(jù)其含碳量的不同，具有不同塑性、韌性和強(qiáng)度硬度；合金結(jié)構(gòu)鋼，具有合適的淬透性，具有較高的抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。鋼鐵材料在汽車生產(chǎn)過程中材料所需的比重為80%，而總體金屬所需為86%。作為最大的鋼鐵原料生產(chǎn)國，怎樣提高我國自行生產(chǎn)鋼鐵在汽車制造過程中的材料應(yīng)用地位，怎么在鋼鐵的生產(chǎn)和材料創(chuàng)新上取得先機(jī)是我國當(dāng)下應(yīng)當(dāng)考慮的重要因素。

1.2 稀缺金屬

據(jù)悉，在汽車生產(chǎn)過程中，國外的汽車工廠會(huì)選擇向合金鋼中加入鉻、鎳、鉬等金屬元素，以及一些含鈷量很高的永磁性金屬材料。而這些元素都是屬于稀缺資源，在可持續(xù)發(fā)展的道路上，這些元素的應(yīng)用必將更加符合可持續(xù)發(fā)展觀，節(jié)約稀缺資源必將成為指導(dǎo)汽車材料生產(chǎn)和開發(fā)的方針。

1.3 鋁

毫無疑問，鋁是輕量化的首選材料。作為工業(yè)中被廣泛應(yīng)用于船舶和飛機(jī)制造等領(lǐng)域的金屬，鋁擁有其自身明顯的優(yōu)勢和特點(diǎn)。鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用量僅次于鋼。隨著近年來科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入，鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)之一。鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有鐵的1/3，生產(chǎn)上由鐵向鋁轉(zhuǎn)換也比較容易實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在汽車的活塞、進(jìn)氣支管、氣缸蓋、盤輪等都采用了重量輕的鋁合金。在美國和歐洲，很多其他汽車組件也由鋼鐵變成了鋁合金，譬如油箱和保險(xiǎn)杠，不僅減輕了自身重量，還改善了汽車性能，保險(xiǎn)杠用的新鋁合金也多次被開發(fā)。數(shù)據(jù)顯示，德國的試驗(yàn)車鋁合金的使用已經(jīng)達(dá)到全體材料的30%。所以說，汽車的未來發(fā)展，離不開這種輕量化材料。

1.4 鎂所扮演的角色

鎂比鋁更加輕，且資源儲(chǔ)量都很豐富，鎂合金的性能與鋁合金相比有過之而無不及。但是對(duì)鎂的提煉比較難，鎂易氧化，即使現(xiàn)在已經(jīng)擁有效率較為高的鍛造工藝，制造成本也在逐漸下降，但是廣泛用于汽車生產(chǎn)還是比較困難的。然而顯而易見，根據(jù)其發(fā)展現(xiàn)狀，只要將來鎂合金價(jià)格逐漸合理化，那么在未來的汽車制造上，市場前景一片光明。圖1為中國2011年4月份的國民經(jīng)濟(jì)主要指標(biāo)數(shù)據(jù)。根據(jù)圖1，我們可以看清金屬材料的使用劇增與中國取代美國成為汽車第一大國的關(guān)聯(lián)。

4月份國民經(jīng)濟(jì)主要指標(biāo)數(shù)據(jù)

圖1

1.5 其他汽車生產(chǎn)所需材料

塑料和橡膠在汽車的生產(chǎn)過程中仍占著一個(gè)很重要比重，但是眾所周知，塑料的可塑性很強(qiáng)，輕巧美觀，卻很難降解，隨著科學(xué)發(fā)展觀的觀念深入人心，塑料在不久的將來必會(huì)被其他可降解的、符合可持續(xù)發(fā)展的材料所替代。合成橡膠亦是如此，雖然在現(xiàn)代的工業(yè)發(fā)展中，這些材料都是十分重要的，但我相信，和DDT一樣，這些與人與自然和諧相處主體不符的合成材料必將淘汰。

2 汽車行業(yè)的未來發(fā)展

2.1 電動(dòng)汽車高度決定者——鋰

隨著汽車的性能越來越優(yōu)越，汽車的購置價(jià)格越來越合理，并且憑借其在交通上的重要地位，我們有理由相信汽車在近幾個(gè)世紀(jì)的發(fā)展都將備受重視?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展使得人們對(duì)太陽能、風(fēng)能等自然資源的利用逐漸升級(jí)。伴隨而來的，我們未來的汽車制造、作用于生活必將不以燃燒一次性能源為基礎(chǔ)，也不以破壞環(huán)境為代價(jià)。鋰等新金屬的重要應(yīng)用，使得太陽能汽車的發(fā)展有了實(shí)質(zhì)性的跨越。很多人會(huì)懷想將來的汽車能夠在天空中翱翔，我認(rèn)為這并不是不現(xiàn)實(shí)。飛機(jī)不就是這么來的嗎？隨著我國石油、煤等資源的告罄，鋰在太陽能汽車的生產(chǎn)中扮演的角色將會(huì)越發(fā)的重要。鋰的性能優(yōu)越，并且鋰離子電池的研究技術(shù)更加精湛成熟，十分適用于未來汽車的動(dòng)力提供。毫不夸張地說，鋰將決定電動(dòng)汽車的未來高度。

2.2 核能的新設(shè)想——汽車供能者

核能的發(fā)展也該是一個(gè)很重要的汽車制造拼圖版塊。假設(shè)將來能夠在汽車中應(yīng)用鈾等核元素，那么我們的出門交通將更加方便，也會(huì)更加環(huán)保。獲得鈾是非常復(fù)雜的系列工藝，要經(jīng)過探礦、開礦、選礦、浸礦、煉礦、精煉等流程，而濃縮分離是其中最后的流程，需要很高的科技水平。事實(shí)上我們并不缺乏鈾這一重要的核元素的化合物。如何改善提煉技術(shù)，將3%的低濃度鈾用現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用于汽車動(dòng)力提供，是十分值得研究的。

2.3 汽車新貴——復(fù)合材料

復(fù)合材料的出現(xiàn)，是汽車制造上的一個(gè)新起點(diǎn)，新挑戰(zhàn)。作為近些年發(fā)展最快，市場需求不斷升級(jí)的中國來說，復(fù)合材料的投入使用，將會(huì)對(duì)洗車工業(yè)產(chǎn)生又一輪革新。以長纖維加強(qiáng)型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為代表的復(fù)合材料及新技術(shù)，將會(huì)在汽車領(lǐng)域發(fā)揮其作用，主要可以體現(xiàn)在三方面：一是電動(dòng)車領(lǐng)域，據(jù)悉歐洲一些研發(fā)機(jī)構(gòu)在開發(fā)過程中，對(duì)電動(dòng)車采用碳底盤，這一方法能夠使得比采用傳統(tǒng)材料底盤的車型至少減輕300kg，大大改善汽車質(zhì)量，提高安全性能。其二是傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域，目前歐洲的更多車型已經(jīng)采用熱塑固件，這種復(fù)合材料更容易循環(huán)處理和使用，綜合效果比普通的熱固件效果更好。其三是在生物材料領(lǐng)域，如木材、棉花等天然生物材料，用以替代玻璃和碳纖維的天然纖維。憑借復(fù)合材料的優(yōu)越性能，顯然不久的將來我們就能夠做到汽車領(lǐng)域材料的重復(fù)利用創(chuàng)新。

2.4 拜耳材料

或許我們對(duì)拜耳材料科技會(huì)感到陌生，但是實(shí)際上，我國早已引進(jìn)并應(yīng)用在列車的制造上。為了迎合可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好的需要，國家引進(jìn)了國際上最為先進(jìn)的水性涂料及膠粘劑材料、聚碳酸酯材料、聚氨酯復(fù)合材料的相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用，這些都是目前應(yīng)用于高速列車上的高端技術(shù)材料。實(shí)際上，膠粘劑在汽車制造中的應(yīng)用優(yōu)勢也非常多，例如降低車體重量、降低噪音、取代鉚接，焊接等傳統(tǒng)工藝、提高生產(chǎn)效率等等。拜耳綠色粘接技術(shù)不但有著這些優(yōu)勢，還有環(huán)境保護(hù)這樣獨(dú)一無二的好處，為環(huán)保友好型產(chǎn)品的不二選擇。聚碳酸酯有著透明、優(yōu)良的沖擊強(qiáng)度、良好的耐熱性和電性能、出色的尺寸穩(wěn)定性、低吸水率、低成型收縮率、低熱傳導(dǎo)率和良好的電阻特性等等。舉一個(gè)例子，Baypreg®：一種高強(qiáng)輕質(zhì)的聚氨酯復(fù)合材料，有著極高的強(qiáng)度同時(shí)密度很低，尺寸穩(wěn)定性和耐熱性好并且有著極高的生產(chǎn)效率?？梢允褂迷谄嚭髠湎渖?，達(dá)到承重好又輕質(zhì)的擱物板的目的。若是將這些有著獨(dú)特的機(jī)械性能和絕熱性能完美結(jié)合的聚氨酯硬泡——最有效的保溫隔熱材料，應(yīng)用于汽車上，我相信會(huì)給汽車的未來發(fā)展添上濃墨重彩的一筆。這些具有優(yōu)越性能的材料，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，也會(huì)給新汽車的制造帶去新的元素和新的生產(chǎn)活力，滿足人們更多的需求。

3 結(jié)論

隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)開始以蔓延的方式走進(jìn)千家萬戶，交通發(fā)展上我們越來越向發(fā)達(dá)國家靠攏。然而在汽車行業(yè)上的專業(yè)技術(shù)短板，已經(jīng)讓我國吃足了苦頭，各項(xiàng)專利像一座座大山壓制著中國的汽車經(jīng)濟(jì)發(fā)展，征收大股份的盈利額，以逸待勞。汽車行業(yè)的扶持發(fā)展和開發(fā)創(chuàng)新也一直是我國近年來科教興國的主要針對(duì)對(duì)象之一。近世紀(jì)的工業(yè)快速發(fā)展，使得煤、石油等一次性能源在全球大量的消耗利用。這些資源的告罄，也預(yù)示著新舊能源已急需更替。緊隨時(shí)代腳步，將這些技術(shù)應(yīng)用于汽車制造，是如何在未來的汽車行業(yè)發(fā)展中取得先機(jī)的重要因素。秉著可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好的原則，我們應(yīng)該重視新能源的開發(fā)和利用。我認(rèn)為，應(yīng)將太陽能汽車的寵兒——鋰、核元素——鈾、新型復(fù)合材料、傳統(tǒng)材料的創(chuàng)新和循環(huán)利用，作為汽車未來發(fā)展的材料研究重點(diǎn)。

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