試析環(huán)保新材料在汽車設(shè)計中的應(yīng)用

齊兵

中國重汽集團泰安五岳專用汽車有限公司 山東省泰安市 271000

1 引言

新型環(huán)保材料主要是常見的環(huán)保聚脲涂料，具有施工工藝簡單、環(huán)保性能優(yōu)越等特點，固化溫度低、耐腐蝕性、耐候性強等顯著優(yōu)勢，可以方便后期維護與保養(yǎng)。在新環(huán)保材料應(yīng)用時能夠根據(jù)不同的車輛類型的涂層性能要求，選擇不同的聚脲涂料，全面增強汽車底盤零部件的使用壽命。通過對汽車環(huán)保設(shè)計進行分析，總結(jié)環(huán)保新材料的具體應(yīng)用策略，能夠推動我國汽車產(chǎn)業(yè)在環(huán)保全面發(fā)展，提高汽車的性能和質(zhì)量，滿足人們的出行需要。

2 汽車環(huán)保設(shè)計的相關(guān)特點

在汽車行業(yè)快速發(fā)展的背景下，既要保證車輛設(shè)計的安全舒適，又要保障節(jié)能環(huán)保。在我國汽車數(shù)量明顯增多的背景下要重點加強對汽車的智能化設(shè)計，但是從目前來看對大多數(shù)的汽車進行車輛檢測之后，能夠發(fā)現(xiàn)大部分車內(nèi)空氣質(zhì)量存在明顯的污染問題，不僅會導(dǎo)致空氣環(huán)境污染，而且還影響人體健康，對社會的全面發(fā)展造成不良影響。如果能夠使車輛部件減輕1%，那么不僅能夠降低能耗，同時也能夠減輕荷載，避免過度磨損。在汽車工業(yè)快速發(fā)展中運用各種新材料和新技術(shù)已經(jīng)成為必然趨勢，能夠確保汽車輕量化設(shè)計。汽車輕量化設(shè)計要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行全面優(yōu)化，通過加工科技和輕量化材料的應(yīng)用來減輕車輛的整體重量，既能夠保障車輛的安全性能和強度，同時也可以將汽車的整體質(zhì)量降至最低，滿足汽車動力運行的需要。汽車輕量化的設(shè)計主要是針對部件、外形、尺寸優(yōu)化，減少道路占用面積，同時也可以通過縮減車輛零部件的厚度來保障車輛的穩(wěn)定運行，對車輛智能化結(jié)構(gòu)模塊進行分體式或者局部增強設(shè)計應(yīng)用新的節(jié)能環(huán)保材料來保障新材料的應(yīng)用水平得到全面提高。

3 在汽車設(shè)計中常見的環(huán)保新材料

3.1 環(huán)保聚脲涂料

環(huán)保聚脲涂料是非常普遍的新型環(huán)保材料，不僅施工工藝簡單高效，而且具有良好的耐腐蝕性和耐候性，能夠根據(jù)不同的汽車零部件需求來選擇不同的聚脲材料。目前新型環(huán)保聚脲涂料主要用在轎車燃油箱、外壁涂裝以及汽車底盤漆生產(chǎn)線上。利用聚脲涂料可以直接在燃油箱外壁涂裝將燃油箱孔封堵，避免液體流入到油箱內(nèi)壁。然后在表面噴涂聚脲底漆、烘干，通過遮蔽-打磨-擦拭-噴涂等一系列的操作之后，強化涂料主劑和固化劑的配比密度，平均分散，保證聚脲涂料的耐鹽、耐污和耐老化水平全面增強。

3.2 免噴涂塑料

隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對于汽車內(nèi)飾也呈現(xiàn)出個性化的發(fā)展需要，而且這些汽車內(nèi)飾對能源資源消耗量更高，在新時期要積極加強對汽車內(nèi)飾的節(jié)能環(huán)保設(shè)計與優(yōu)化。汽車防滑坐墊和汽車防曬膜等新型環(huán)保材料，可以利用免噴涂塑料、熱熔膠或者水性膠粘劑等。目前常見的環(huán)保型內(nèi)飾塑料主要包括生物塑料，免噴涂塑料能夠在表面進行預(yù)處理，噴漆干燥，提高汽車內(nèi)飾的耐候性、耐熱性和低氣味性低揮發(fā)性的要求，而且這些汽車內(nèi)飾能夠?qū)崿F(xiàn)100%回收，顯著降低了制造成本。無機納米復(fù)合材料的應(yīng)用能夠添加各種無毒的化學(xué)穩(wěn)定劑，減少塑料本身的OVC 殘留，具有更高的強度和抗紫外線能力。在生物塑料中通過淀粉之類的無毒害可再生原料為基礎(chǔ)，可以用于取代傳統(tǒng)的內(nèi)飾塑料保證了環(huán)保的效果，汽車革是汽車的重要零部件，對汽車的美觀性和使用性會產(chǎn)生明顯影響目前常用的汽車內(nèi)飾主要以人造皮革為主，這些人造皮革，無論是穿孔縫合線工藝還是觸感上，都能夠模擬真皮材料。這些人造皮革屬于熱塑性聚氨酯散熱性更強，在相同溫度環(huán)境下比其他材料的表面溫度低10℃以上，具有較高的透氣性和適水性，吸水率要比天然皮革慢15%，通過這些性能特點可以使得人造皮革比天然皮革更舒適環(huán)保。高分子環(huán)保材料也能夠在汽車座椅中應(yīng)用密度更小，性價比更高，具有良好的耐熱性能，可以方便回收再利用，具有較強的抗沖擊性，耐高溫性和耐熱性等特點。除了材料之外，材料膠粘劑的應(yīng)用也可以增強汽車內(nèi)部環(huán)境的空氣質(zhì)量，我國目前大多數(shù)的汽車內(nèi)飾依然采用氯丁膠黏劑這類膠黏劑不僅易燃易爆，而且有毒。通過利用水溶性的聚氨酯膠粘劑來取代氯丁膠粘劑，不僅黏度低不含毒溶劑，而且不隨聚合物相對分子質(zhì)量的改變，固含量高達50%，投資成本更低，無須溶劑回收以及防火防爆的設(shè)計，在汽車內(nèi)飾門板儀表盤等多個部位進行快速粘接。

3.3 碳纖維材料

碳纖維材料是以碳纖維復(fù)合而形成的新型環(huán)保材料，碳纖維密度較低，在汽車設(shè)計中非常普遍，碳纖維材料具有良好的可塑性，而且整體的結(jié)構(gòu)性能都具有十分顯著的優(yōu)勢，整體的重量要比普通材料更輕，抗拉性能又超出普通金屬材料。在汽車設(shè)計中碳纖維材料廣泛應(yīng)用可以根據(jù)自身的特性將碳纖維編織為布面，在具體的模具加工中將碳纖維進行交錯疊放，通過這樣的方式最終保證了碳纖維面板的光亮平滑。而且碳纖維具有極強的安全性，所以目前大多數(shù)的賽車都以碳纖維制作駕駛室保護裝置，在發(fā)生事故時也能夠減輕對駕駛?cè)藛T造成的傷害。

4 車輛輕量化設(shè)計的基本途徑

采用最新的科學(xué)技術(shù)，關(guān)注重點部件，革新及優(yōu)化設(shè)計工具、輕量化設(shè)計原理、把部件轉(zhuǎn)化成部件和復(fù)合材料，從而降低部件數(shù)目。對零件的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，比如去掉過多的零件。新材料的應(yīng)用可以使用低密度高強度的輕型材料，例如鋁鎂合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料，采用先進的制造技術(shù)和制造技術(shù)，要使零件的結(jié)構(gòu)更加輕便，并選用多種不同的可替換材料。復(fù)合材料及非標材質(zhì)。采用先進的機械設(shè)備和工具進行金屬材料成型，可以實現(xiàn)重量輕的產(chǎn)品。鋁合金鋁合金，最常用的是自行車的鋁合金車輪，這種材料比之前的鋼材要輕得多。鎂合金是一種合金，具有密度低、比強度大、彈性模量大、抗沖擊吸收性能好、抗沖擊能力好、抗有機物、耐堿性等優(yōu)良性能。鈦合金中加入了其它元素。綜合性能好，密度低，比強度高。鈦合金具有4.51g/cm的密度，在鋁2.7g/cm和7.6g/cm之間。鈦合金的比強高于鎂鋁合金，其韌性接近于鋼。鈦、鈦合金的耐蝕性能優(yōu)于不銹鋼。鈦合金比鎂鋁合金、鎂合金具有更廣泛的應(yīng)用范圍，具有很好的加工能力和焊接能力。塑料的主要成分是由低密度、低導(dǎo)熱率、低導(dǎo)電率、耐酸性、耐堿性、老化的非金屬元素的有機化合物。塑料的力學(xué)性能可能會改變。汽車內(nèi)部使用的是整體部件。由于碳纖維材料的航空技術(shù)發(fā)展，飛機所需的材料重量較輕，強度較高，而目前的金屬材料已不能適應(yīng)航空工業(yè)的需求，逐漸替代了纖維。早期的碳纖維被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，但是到目前為止，只有在超級跑車中才能應(yīng)用到發(fā)動機罩，擋泥板，車頂，行李箱，車門，底盤等結(jié)構(gòu)部件。其它新型材料除以上所述的多種不同的材料之外，還有很多輕質(zhì)的、具有良好的特性的材料，但是目前汽車還沒有應(yīng)用。陶瓷是僅次于金屬、塑膠的重要原料。盡管陶瓷材料的研制周期比較短，但是其力學(xué)性能和化學(xué)性能都很好。“汽車用的陶瓷材料，不但重量輕，還具有優(yōu)良的耐熱性、耐磨性和耐腐蝕性。使用在引擎部件上，可以增加燃料的使用效率。蜂窩夾層是一種高強度、高硬度的航空材料，具有很高的市場價值，但是在汽車行業(yè)中的應(yīng)用并不多。汽車的輕量化前景為了實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展，新一代的汽車產(chǎn)品節(jié)能、安全、環(huán)保、輕量化，對新一代的汽車材料技術(shù)提出了更高的要求，是達到輕量化設(shè)計的重要途徑。當前，國內(nèi)外各大汽車企業(yè)及材料業(yè)紛紛投入了大量的資金、物力，積極開展汽車技術(shù)與新材料的研發(fā)，并獲得了國家的大力扶持。然而，在輕型化發(fā)展的同時，也必須面對不能輕量化、不能忽視汽車安全的問題。國內(nèi)汽車站點對47 個國家和合資企業(yè)的防撞梁進行了試驗，試驗結(jié)果顯示，大多數(shù)日本汽車廠商的防撞鋼梁厚度不符合國家規(guī)定。如果為了減少汽車的重量而以犧牲安全為代價，這種輕便毫無意義。選用的材料也要謹慎，技術(shù)要更成熟，整個汽車業(yè)都需要對這種技術(shù)給予足夠的關(guān)注和了解。所以，在未來輕量化是我國汽車發(fā)展的一個重要特點。

5 新能源汽車環(huán)保設(shè)計

新能源汽車與傳統(tǒng)型汽車之間的對比，傳統(tǒng)汽車以不可再生資源，如汽油、柴油等，而新能源汽車則以電能為主，其中最重要的動力是氫和太陽能。新能源汽車的排放相對較低，在節(jié)約傳統(tǒng)能源和環(huán)境保護方面具有十分重要的意義。新能源汽車的分類主要體現(xiàn)在動力創(chuàng)新方面。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，新能源汽車有三大類，混合動力汽車，采用電動機+引擎的方式，利用電力和燃油的消耗來產(chǎn)生電力。全電力車輛。電動車的應(yīng)用是當前新能源汽車的發(fā)展趨勢，具有許多的優(yōu)勢，但是要解決的問題有三個：電池的儲存，電池的壽命，以及電動車的價格。氫能汽車不像常規(guī)車輛那樣消耗大量燃料，排放大量污染物，而是排放出純凈的水。新能源汽車的新材料研發(fā)要想在現(xiàn)有的汽車中脫穎而出，就必須要在材料上進行突破。電機驅(qū)動材料是把能源轉(zhuǎn)換成車輛的主要動力，電池是一個非常關(guān)鍵的部件，用于車輛的電能存儲，與新能源汽車的電池技術(shù)相比，新能源汽車的驅(qū)動電機技術(shù)相對成熟。驅(qū)動電機的上游總成-傳動系統(tǒng)的控制部件仍然依靠進口。在各類驅(qū)動電動機中，永磁同步電功能夠較好地適應(yīng)電動汽車的動力需求。目前，稀土資源，尤其是稀土中的釹，已成為新能源汽車驅(qū)動裝置的重要研究領(lǐng)域，對新能源汽車的研發(fā)和創(chuàng)新起到了至關(guān)重要的作用。新能源汽車總體設(shè)計趨向于小型化、大功率化，因此稀土可以很好地滿足這種需求。所以，混合動力汽車，電動汽車，燃料電池汽車都是由稀土元素驅(qū)動的。電動機是必不可少的，而且需求量很大。近幾年來，我國的電池工業(yè)發(fā)展迅速，并在世界范圍內(nèi)形成了一定的影響。中國是世界上鋰離子資源最豐富的國家，在全球位列第三，是研究、開發(fā)、創(chuàng)新新能源汽車用鋰離子電池的重要原料。鎳氫電池的總造價約為3/5。電解質(zhì)、陰極、陽極、膜片等四大材料構(gòu)成了鋰離子電池的成本。目前國內(nèi)以磷酸鐵鋰為主的新型電池陰極材料，而日本的新能源電池則以氧化鋰錳、鎳氫為主要原料。磷酸鐵鋰是美國新能源電池的主要正極材料。稀土元素是新能源電池的一部分。同時，稀土金儲氫技術(shù)在汽車混合動力汽車用鎳氫電池中的應(yīng)用前景廣闊，環(huán)保、低污染、高安全。輕型材料車輛的性能對加速、爬坡、滾動阻力有很大的影響，但總體上與車輛的重量、能量消耗成反比關(guān)系。輕量化的車輛可以降低能耗的50%，降低行駛阻力可以降低三分之一的能耗，提高引擎的利用率可以降低50%的能耗。很明顯，在新能源汽車的研發(fā)與創(chuàng)新中，輕量化是一個關(guān)鍵的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，世界范圍內(nèi)的汽車用輕量化材料包括鎂鋁合金，鎂合金，鈦合金，超輕型高強度汽車用鋼材及復(fù)合材料。鎂鋁合金在新能源汽車中得到了廣泛的應(yīng)用。在采用鎂鋁合金的情況下，總體的重量減輕了20%左右。鎂鋁合金在新能源汽車的輕型設(shè)計中也占有重要地位。車架、儀表板、方向盤、發(fā)動機缸蓋、離合器等零件具有輕質(zhì)、高強度、易加工等優(yōu)點，有望在新能源汽車上得到廣泛的應(yīng)用。增程式混合動力技術(shù)就是汽車引擎只能在行駛時產(chǎn)生電能，而不參與汽車的運行，也被稱為系列混合動力技術(shù)。長時間實際應(yīng)用的結(jié)果表明，長距離混合動力技術(shù)的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是以燃油為動力為動力，完全解決了電池不足的問題，延長汽車壽命長。二是汽車應(yīng)用了該技術(shù)后可直接對車輛進行功率補償，不但要明確電機的輸出功率要求，還要滿足發(fā)動機輸出功率和動力電池的設(shè)計標準，符合汽車使用壽命要求。并聯(lián)式混合動力技術(shù)作為一種新型電力技術(shù)，已被廣泛采用，汽車發(fā)動機不僅具有發(fā)電功能，而且還起到了正常運行的作用。盡管這項技術(shù)是一項廉價的節(jié)能技術(shù)，但是目前已有大部分采用并聯(lián)混合動力技術(shù)的汽車，不能讓發(fā)動機和電動化裝置同時運轉(zhuǎn)。由于只有發(fā)動機在運行，因此與傳統(tǒng)技術(shù)相比，這項技術(shù)的節(jié)能效果并不明顯。使用混合動力混合動力技術(shù)，具有發(fā)電和駕駛同步功能，是并行混合技術(shù)與增程混合技術(shù)相結(jié)合的一種新型混合技術(shù)，主要利用動力分離器將汽車發(fā)動機的電能分離出來，從而使汽車發(fā)動機能夠發(fā)電。在驅(qū)使車輪前進時完成能量轉(zhuǎn)換，提高汽車節(jié)能效果。

6 結(jié)語

由于新材料具有良好的使用性能，而且成本更低，具備良好的環(huán)保性。在今后汽車設(shè)計中要積極主動運用好各種環(huán)保新材料，根據(jù)不同的環(huán)保新材料特點對車輛的內(nèi)飾進行全面優(yōu)化，真正實現(xiàn)車輛的輕量化設(shè)計，滿足汽車行業(yè)的發(fā)展需要。國內(nèi)各大汽車廠商陸續(xù)推出新能源汽車，對新能源汽車的期望也越來越高。本文將從驅(qū)動電機材料、動力電池材料、輕型材料等角度對其應(yīng)用進行研究，以期促進我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速、健康、持續(xù)發(fā)展。