汽車用新材料的最新進(jìn)展—— 輕量、節(jié)能和環(huán)保

羅益峰

摘要：汽車輕量化和碳纖維復(fù)合材料化是大勢所趨，碳纖維在汽車中的應(yīng)用涉及車體、底盤、傳動軸、發(fā)動機(jī)殼體、剎車片和某些部件。為了提升碳纖維在中檔車中的應(yīng)用，近期全球碳纖維及碳纖維復(fù)合材料（CFRP）產(chǎn)業(yè)的研究重點包括提高碳纖維的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，CFRP成型工藝的改進(jìn)，選用廉價又能提高CFRP綜合性能的添加劑，由廢舊CFRP回收和再生碳纖維的技術(shù)，以及發(fā)展CFRP與金屬等材料的粘接技術(shù)和粘合劑等。本文針對上述重點進(jìn)行了系列調(diào)研和分析，并對今后國內(nèi)外汽車用新材料的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：汽車；輕量化；節(jié)能；環(huán)保；碳纖維增強(qiáng)樹脂

中圖分類號：TQ342.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Latest Trends in Automobile Materials Development： Light-weighting， Energy-saving and Environment-friendly

Abstract： Light-weighted materials and carbon fiber composites dominate the developing trends of automobile materials. They can be used in the body， chassis， drive shaft， motor case， brake pad and some parts of automobile. To increase the use of carbon fiber in medium-grade cars， recently the research of global carbon fiber and carbon fiber reinforced polymer/plastics （CFRP） industry has been focusing on increasing the production efficiency and reducing production costs of carbon fiber， improving CFRP molding technology， adopting additives that are cheaper but capable of improving the overall performance of CFRP， developing the technologies for recovering carbon fiber from waste CFRP and developing the technologies for bonding CFRP with metals and related adhesives. The paper investigates and analyzes the above-mentioned points and forecasts the future development of new automobile materials both at home and abroad.

Key words： automobile； light-weighting； energy-saving； environment-friendly； carbon fiber reinforced resin

汽車輕量化和碳纖維復(fù)合材料化是大勢所趨，碳纖維在汽車中的應(yīng)用包括車體、底盤、傳動軸、發(fā)動機(jī)殼體、剎車片和其他一些部件。為了提升碳纖維在中檔車中的應(yīng)用，近期全球碳纖維及碳纖維復(fù)合材料（CFRP）產(chǎn)業(yè)的研發(fā)目標(biāo)包括：（1）大幅提高碳纖維的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本；（2）選用相匹配的樹脂體系；（3）研發(fā)碳纖維增強(qiáng)樹脂（CFRP）快速成型或低成本且能提高綜合性能的固化劑；（4）成型工藝的改進(jìn)，實現(xiàn)高效和低成本；（5）選用廉價又能提高CFRP綜合性能的添加劑；（6）由廢舊CFRP回收和再生碳纖維的技術(shù)；（7）發(fā)展CFRP與金屬等材料的粘接技術(shù)和粘合劑。除CFRP外，各種改性工程塑料也不斷面世，并已大量應(yīng)用于汽車部件。

1 高效、低成本碳纖維的創(chuàng)新技術(shù)

1.1 澳大利亞Carbon Nexus公司

該公司是澳大利亞迪肯大學(xué)的校辦聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF）中試試驗廠，從事全球PAN原絲的評價，日本東邦、土耳其AKSA、德國Dolan以及中國的吉林硅谷碳纖維、藍(lán)星碳纖維及上海石化等公司的PAN原絲都在該廠做過評價。最近該校在其基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上成功將預(yù)氧化時間縮短至10 min，使產(chǎn)能躍升至400 t/a，降低了碳纖維生產(chǎn)成本。

1.2 中國臺灣永虹碳纖維有限公司

該公司 5 年前介入PAN-CF的生產(chǎn)，現(xiàn)產(chǎn)能約為500 t/a，產(chǎn)品有高強(qiáng)型（拉伸強(qiáng)度和模量分別為 6 GPa和310 GPa）、高模型PAN-CF（拉伸強(qiáng)度和模量分別為4.5 GPa和380 GPa）兩種。但其產(chǎn)品非靠2 500 ℃以上高溫石墨化，而是靠特殊后處理，因此比較廉價。最近其常規(guī)產(chǎn)品的預(yù)氧化工序也可實現(xiàn)10 min完成PAN原絲的預(yù)氧化，從而可降低生產(chǎn)成本。

1.3 德國Denkendorf紡織化纖研究所（ITCF）

該研究所聚焦于研究低成本的PAN-CF，及采用木質(zhì)素、纖維素、聚乙烯（PE）等熔紡制成的原絲，通過特殊的電子沖擊波使原絲的雙鍵打開，并在其他位置產(chǎn)生新的化學(xué)鍵，使纖維分子相互結(jié)合，使其在高溫碳化過程中保持穩(wěn)定。

其中一個電子束系統(tǒng)裝在噴絲頭后方，可迅速對初紡絲進(jìn)行固化，以降低纖維脆性，減少操作應(yīng)力，有利于后道碳化。迄今對PE原絲的這種穩(wěn)定化加工尚未成功，而是設(shè)置一個被稱作EU“NEWSPEC”的PET化學(xué)預(yù)處理過程，使其結(jié)構(gòu)和性能適合于后道的碳化加工。

第二套電子束系統(tǒng)可實現(xiàn)各種聚合物的化合，從而達(dá)到穩(wěn)定化的目的。隨后在無氧的1 300 ℃裂解爐中碳化，并在2 000 ℃下石墨化，最后進(jìn)行表面電解處理。

1.4 日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）

2012 — 2014年，日本經(jīng)濟(jì)部啟動“創(chuàng)新碳纖維基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)”計劃，由東京大學(xué)的影山和郎教授統(tǒng)管基礎(chǔ)研究，而NEDO的羽鳥浩章任該項目領(lǐng)導(dǎo)。2015 — 2016年，NEDO委托東麗、帝人（東邦Tenax）和三菱麗陽三大企業(yè)加盟，形成全日本的開發(fā)體制，研究成果和知識產(chǎn)權(quán)由東京大學(xué)一體化管理。

圖 1 和圖 2 分別為以往采用進(jìn)藤方式的PAN-CF制造流程和創(chuàng)新工藝開發(fā)的碳纖維制造流程對比。

圖 3 為無需預(yù)氧化的碳纖維原絲及碳纖維截面圖。圖 4 為含側(cè)鏈、梯形結(jié)構(gòu)（溶劑可溶）的新型聚合物結(jié)構(gòu)示意圖。

該新型聚合物的研發(fā)目標(biāo)為：（1）開發(fā)無需預(yù)氧化工序的新型碳纖維前驅(qū)體化合物；（2）解明碳化結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理；（3）碳纖維的評價手段和標(biāo)準(zhǔn)化；（4）具體目標(biāo)數(shù)據(jù)（2016年）：拉伸強(qiáng)度3.5 GPa、拉伸模量≥235 GPa、斷裂伸長率≥1.5%。

表 1 為該新工藝和以往工藝在生產(chǎn)效率、能耗和CO2排放量等方面的對比。表 2 為目前該計劃所達(dá)到的研發(fā)實績。

該新型聚合物是在衣料用PAN溶液中添加能溶于其中的促進(jìn)劑和氧化劑，在液體中進(jìn)行預(yù)氧化。由于聚合物含有堿性含氮官能團(tuán)，且可溶于溶劑中，因此原絲的碳化收率是預(yù)氧化PAN纖維的1.5倍。在拉伸模量與以往PAN-CF相同的情況下，可制得單絲直徑大 2 倍以上的碳纖維。

由于采用微波對黑原絲進(jìn)行直接加熱，不需將碳化爐維持高溫（圖 5），碳化時間可縮短，能耗少。

采用等離子表面處理，可大幅度簡化工藝，使能耗削減50%。

1.5 德國RWTH Aachen大學(xué)紡織技術(shù)學(xué)院（ITA）和

Diener電子公司

這兩家單位研發(fā)了用等離子體工藝進(jìn)行碳纖維表面處理，可優(yōu)化碳纖維與樹脂母體的粘合力，降低處理能耗和提升CFRP品質(zhì)。在碳纖維表面活化的主要創(chuàng)新點在于將等離子體的方法集成到了連續(xù)碳纖維生產(chǎn)線上。

碳纖維等離子處理所用氣氛有空氣、氧、氬氣、氨、氮和氟，其中含氧等離子體處理后，可與許多常用的聚合物基體產(chǎn)生鍵合，因此界面粘合性好。

2 汽車用CFRP樹脂及耐高溫?zé)崴苄运芰?/p>

表 3 所示為日本JX能量公司生產(chǎn)的應(yīng)用于CFRP的熱固性樹脂系列。

某些汽車部件需要耐熱型塑料，JX能源公司有兩種代表性的品種，一種是液晶聚合物（LCP）“Zydar”，一種是熱塑性聚芳酯，其在熱塑性樹脂中具有最高水平的耐熱性，成型性極優(yōu)（熔融粘度低、流動性好，固化速度快，成型時難發(fā)生溢料，阻燃性優(yōu)，與其他工程塑料相比模量高、抗震性優(yōu)），現(xiàn)產(chǎn)能為4 000 t/a。

另有一種新開發(fā)的新型熱塑性樹脂，具有高滑動性（低磨耗、低摩擦系數(shù)），在高溫條件下與聚醚醚酮（PEEK）相比，具有更好的滑動性，并保持與PEEK同樣優(yōu)良的高溫機(jī)械特性，可擠出成形，適用于金屬齒輪、軸承、發(fā)動機(jī)周邊的滑動部件，實現(xiàn)輕量化。圖 6所示為高溫條件下，其與PEEK的滑動性能與機(jī)械特性的對比。

日本聚塑料公司是全球最大的LCP生產(chǎn)企業(yè)，擁有1.5萬t/a的縮聚產(chǎn)能。其產(chǎn)品比聚苯硫醚（PPS）具有更高的耐熱性和尺寸穩(wěn)定性，線膨脹系數(shù)小，流動性好，易加工成型，吸濕性低，最近在汽車部件中的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大。另外，最近其還開發(fā)了低發(fā)塵型和低介電常數(shù)型兩個新品種，主要應(yīng)用于電氣、電子部件等中，可實現(xiàn)薄型化和輕量化。

3 耐高溫聚酰胺9T（PA 9T）

圖 7 所示為PA 9T的化學(xué)結(jié)構(gòu)，表 4 為其特性，這些特性使其能滿足汽車發(fā)動機(jī)殼體內(nèi)各種部件，及與燃料、冷卻液等相接觸部件的使用要求，并長期維持在高溫、高濕、藥液及應(yīng)力等極端環(huán)境。

日本可樂麗公司生產(chǎn)的PA 9T商品名為“ジェネスタ（Jenest）”，圖 8 顯示了其在汽車中的應(yīng)用部位，主要包括燃料體系部件、吸氣體系部件、滑動部件、冷卻體系部件、電子部件、車體等結(jié)構(gòu)部件。

目前，PA 9T除標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品外，已有新品種面世，圖 9為PA 9T和PA 9T新品級的耐熱、耐酸性對比。

4 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂固化劑（BPH）

4.1 BPH的特點與優(yōu)勢

BPH是國外研發(fā)成功的一種環(huán)氧樹脂固化劑，有望在我國產(chǎn)業(yè)化。BPH-環(huán)氧樹脂體系是一種淺黃的液體，在無紫外光條件下在室溫可存儲 6 個月以上，粘度低，易加工成型，包括CFRP成型。與胺類固化劑-環(huán)氧樹脂體系相比，其吸濕性降低50%，熱解起始溫度高150 ℃以上，用于CFRP成型時添加量只有1% ～ 2%，而后者添加量需達(dá)20% ～ 50%，且成型時間短。

固化后產(chǎn)品尺寸精度高，誤差只有1% ～ 2%，而胺類固化劑為4% ～ 7%，酸酐類固化劑為3% ～ 6%。

4.2 BPH環(huán)氧樹脂成型材料的優(yōu)勢

表 5 為雙酚A型環(huán)氧樹脂+BPH體系與幾種胺類固化劑-環(huán)氧樹脂體系成型后在抗彎強(qiáng)度、抗彎模量與抗沖擊強(qiáng)度等方面的對比。

從表 5 可見，3 項指標(biāo)都是BPH高出很多，同樣與酸酐類固化劑-環(huán)氧樹脂體系相比，也高出很多，對CFRP的RTM（樹脂轉(zhuǎn)移模塑）成型品，結(jié)果也相似。

5 中空微納米陶瓷粉體（HMNCP）

在工程塑料或CFRP汽車部件中添加中空微納米陶瓷粉體，可提高綜合性能并降低生產(chǎn)成本。HMNCP是由電廠的粉煤灰加工而得的廉價材料，根據(jù)其目數(shù)的大小售價在2 000 ～ 5 000元/t之間。這是我國獨創(chuàng)的一種高技術(shù)產(chǎn)品，由電廠排放的粉煤灰加工而成，其中微米級圓球狀粉體約60%，納米級約粉體40%，表面有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部呈中空結(jié)構(gòu)（圖10）。

HMNCP經(jīng)表面處理后，曾在56種各類塑料部件中添加20% ～ 30%，可提高模量、抗沖擊強(qiáng)度、耐腐蝕性和阻燃性等，而成本下降（表面處理品售價 5 ～ 6 元/kg）。

寧波博利隆復(fù)合材料有限公司曾做過應(yīng)用研究，在CFRP的尼龍樹脂中添加10% ～ 30%經(jīng)活化處理的HMNCP，結(jié)果拉伸強(qiáng)度持平或略有下降，但彎曲模量和抗沖擊強(qiáng)度、阻燃性和耐高低溫性等均大幅提高，成本大幅下降，這對發(fā)展汽車用熱塑性CFRP非承力件十分重要。

在汽車用涂料中添加HMNCP，可增加光潔度，提升耐劃傷、耐磨、耐腐蝕、耐高低溫性等，保溫性提高 6℃左右；在汽車輪胎的橡膠中添加HMNCP，可提高耐磨性、耐高低溫性、阻燃性、彈性等，同時可代替碳黑或白碳黑做有色輪胎，售價提高幾倍，而成本下降；在汽車耐熱部件中添加HMNCP，可進(jìn)一步提高耐熱壽命。

6 CFRP與金屬部件的粘合

6.1 用CFRP修飾膜進(jìn)行粘合

帝人公司提出采用聚酯膜進(jìn)行汽車CFRP部件的修飾，取代以往的噴漆工序，汽車噴涂工序的能耗占汽車廠總能耗的一半以上，從而達(dá)到節(jié)能和抑制VOC（揮發(fā)性有機(jī)物）的產(chǎn)生。所用聚酯膜在某些部件還起到與金屬部件的熱熔粘合作用，其粘合性可經(jīng)受常年考驗。

6.2 采用粘合劑進(jìn)行粘合

日本塑料公司開了“納米模塑技術(shù)”（NMT）的粘接法，通過金屬表面的化學(xué)處理，改質(zhì)形成納米水平的凹凸表面，注入樹脂而形成一體化材料。例如在經(jīng)處理的金屬（鋁、銅、不銹鋼、鐵、鈦）微細(xì)凹凸表面浸透環(huán)氧樹脂，其粘接強(qiáng)度約為該公司以往方法的 2 倍。可用的粘合劑還有聚氨酯（PU）和聚酯類，均適用于粘接CFRP與金屬部件。

6.3 采用粘合劑技術(shù)

Load Japan lnk公司利用其橡膠-金屬相粘合的世界頂級粘合劑，加速開展樹脂與金屬的粘接技術(shù)開發(fā)， 主要為配合汽車輕量化，進(jìn)行CFRP與輕金屬結(jié)構(gòu)材料體或部件的粘合。2015年，該公司投產(chǎn)了PU與環(huán)氧系兩種液體的混合型結(jié)構(gòu)粘合劑，最近在日本市場又投放了導(dǎo)熱性粘合劑“TC100”，是丙烯酸系的兩液式常溫固化型粘合劑，導(dǎo)熱性為 1 W/（m？K），是一般粘合劑的 5 倍。

2015年，其日美的兩家法人公司共同開發(fā)了熱塑性的軟、硬質(zhì)樹脂與各種金屬一體化擠出成形的“負(fù)載型內(nèi)粘合”用（IMB）粘合劑，使金屬表面形成粘合劑層，通過樹脂擠出時的熱和壓力，形成堅固的粘合。

6.4 激光熔接技術(shù)

前田工業(yè)開發(fā)了光束整形光學(xué)激光頭部，以彈形體作為中間材料，構(gòu)成CFRP與金屬的激光熔接技術(shù)，可進(jìn)行鋁板、鋼板和CFRP的激光熔接技術(shù)。

7 結(jié)束語

汽車輕量化是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要解決一系列技術(shù)難題和采用各種新技術(shù)和新產(chǎn)品相輔助。

對位芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)橡膠輪胎是實現(xiàn)汽車輕量化的手段之一，不僅簾子布的層數(shù)可減少、輪胎加工過程更簡便，產(chǎn)品更輕，且使用時滾動阻力小，節(jié)能，現(xiàn)需求量大增。 岡山大學(xué)開發(fā)了長尺寸碳納米管（CNT）的快速合成和干法紡絲制備超輕量導(dǎo)線的技術(shù)，密度只有1.3 g/cm3，耐電流密度性是銅的1 000倍，具有優(yōu)良的電磁波吸收性和化學(xué)穩(wěn)定性，今后適用于飛機(jī)和信號傳輸。每輛普通車輛所用的電氣配線重達(dá)20 ～30 kg，不能忽視其輕量化發(fā)展，如所采用CNT線材的導(dǎo)電率是純銅的100%，則可實現(xiàn)90%以上的輕量化。

另一個值得我國汽車業(yè)界效仿的是光顯示系統(tǒng)的光導(dǎo)纖維化，這在日本已普遍實現(xiàn)，我國剛開始起步。

除此之外，隨著各國CFRP汽車的發(fā)展，廢舊CFRP部件的再生和循環(huán)問題將是突出課問題，目前全球已建設(shè)了十幾條回收生產(chǎn)線，工藝技術(shù)呈現(xiàn)百花齊放的格局，我國重慶環(huán)勝新材料科技有限公司也正在建設(shè) 1 萬t/ a的熱解法回收碳纖裝置（一期工程為1 000 t/a）。