車用仿生材料現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢*

鄭旭 王童 陳軼嵩 金泰峰 羅耿

（長安大學(xué)，汽車學(xué)院，西安710021）

主題詞：汽車 仿生材料 結(jié)構(gòu)功能 未來趨勢

1 引言

仿生材料是指模仿生物各種特點或特性而開發(fā)的材料，其核心理念在于：借鑒自然生物體與生物材料的結(jié)構(gòu)自適應(yīng)、界面自清潔、界面自感知、能量自供給與轉(zhuǎn)化的基本原理，發(fā)展仿生新型結(jié)構(gòu)材料、新型智能界面材料和新型物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化材料[1]。仿生材料學(xué)類似于形態(tài)仿生、功能仿生和結(jié)構(gòu)仿生，是仿生學(xué)的一個重要分支。隨著材料科學(xué)研究的進(jìn)步，仿生材料學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為了一門涵蓋材料科學(xué)、信息科學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)等的交叉學(xué)科，而仿生材料應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大[2]。

使用傳統(tǒng)材料的汽車研發(fā)，無論從外觀上還是性能上都發(fā)展到了一個較為成熟的階段，這就使得汽車性能各方面要在傳統(tǒng)材料的基礎(chǔ)上取得重大突破變得十分困難。因此，仿生材料學(xué)開始應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，仿生材料的興起也會助推汽車發(fā)展產(chǎn)生質(zhì)的飛躍[3]。

目前，仿生材料學(xué)還處在快速發(fā)展階段，動植物仿生擁有范圍廣、跨度大的特點，主流研究的仿生材料分為：生物仿生材料、納米仿生材料、智能仿生材料、結(jié)構(gòu)仿生材料和高分子仿生材料。每一種類別，按照其動植物仿生點不同，又可以分出更細(xì)致類別。

本文對部分具有代表性且已應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的仿生材料進(jìn)行了概述和洞察，對在汽車上應(yīng)用具有發(fā)展?jié)摿Φ姆律牧线M(jìn)行展望。

2 常見車用仿生材料舉例

2.1 鮑魚殼-多級次層狀有序結(jié)構(gòu)材料

2.1.1 鮑魚殼生物結(jié)構(gòu)特點與啟示

幾十億年進(jìn)化歷程，使得一些生物能夠以簡單完善的方式解決許多復(fù)雜問題，例如鮑魚這種軟體生物就能利用人們通常認(rèn)為作用不大、極簡單的物質(zhì)-碳化鈣產(chǎn)生超強度的鮑魚殼來保護(hù)自己。在顯微鏡下對鮑魚殼進(jìn)行觀察后，發(fā)現(xiàn)它是由一層層超薄的碳化鈣，通過厚度不足億分之一米的有機蛋白基質(zhì)連接在一起，構(gòu)成類似“磚-泥”的有機-無機層層交替有序結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種有機-無機層狀的交替結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于車用納米結(jié)構(gòu)材料中，克服了納米材料在組裝過程中的團(tuán)聚問題，規(guī)整取向了二維碳酸鈣納米片層；同時交替結(jié)構(gòu)中豐富的界面還容易形成裂紋偏轉(zhuǎn)，從而抵抗裂紋的擴展[4]。

圖1 碳化鈣“磚-泥”疊層結(jié)構(gòu)[4]

2.1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

由于鮑魚殼扁平，非常堅固，同時受到鮑魚殼的多級次層狀結(jié)構(gòu)增強增韌機制啟發(fā)：鮑魚殼排列有序的結(jié)構(gòu)能使碳化鈣強度增強20倍。因此，換作其他性能更好的材料，利用同樣特點去設(shè)計，應(yīng)該也能獲得倍數(shù)的性能增強。美國普林斯頓大學(xué)就根據(jù)鮑魚殼這一材料特性，研制出了一種新型陶瓷材料—鋁分子充滿在碳化硼分子間，其中鋁分子的作用就如同鮑魚殼中的有機蛋白基質(zhì)一樣，起到連接作用[5]。美國軍方已將這種材料運用到裝甲運輸車上，并進(jìn)一步打算應(yīng)用于坦克外殼，使其更加堅固。

另外，將該種鮑魚殼仿生材料應(yīng)用于乘用車和商用車的車身外殼制造上也是將是很值得研究的熱點題目。通過選擇合適的層間材料，結(jié)合多級次的層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以使得車身整體在較高的強度下具有一個較小的質(zhì)量，符合當(dāng)前汽車輕量化和安全性的發(fā)展要求。

2.2 哺乳動物和鳥類骨骼-發(fā)泡材料

2.2.1 哺乳動物和鳥類骨骼的生物學(xué)結(jié)構(gòu)特點與啟示

鳥類能在天空中飛行，與其獨特的身體結(jié)構(gòu)有極大的聯(lián)系。寶馬公司的輕質(zhì)專家在對鳥類骨骼研究時發(fā)現(xiàn)，鳥類的骨骼輕盈，而且十分的堅實，在它們的骨骼里沒有骨髓，存在著空隙，而且在空隙里面是空氣。正是由于這樣的骨骼構(gòu)造使得鳥類獲得了足夠的浮力。這與內(nèi)部具有大量氣泡的發(fā)泡材料類似，發(fā)泡材料具有質(zhì)量輕、省料隔熱、隔聲、吸收能量和緩沖振動的優(yōu)點[6]。隨著材料科技發(fā)展，發(fā)泡材料的發(fā)展符合汽車輕量化、低碳化提出的輕質(zhì)、節(jié)油、安全和環(huán)保一系列高標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

低成本和輕量化已成為汽車工業(yè)設(shè)計主流方向。鋁是進(jìn)一步降低汽車質(zhì)量的主要材料，具有密度小、相對輕、易塑型、成型、抗腐蝕和導(dǎo)熱系數(shù)高的特點。而鋁合金泡孔組織結(jié)構(gòu)零部件，其強度密度比極佳，向鋁模具內(nèi)充氣或把將要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的小顆粒注入鋁模具，可形成發(fā)泡鋁多孔組織。除發(fā)泡金屬外，發(fā)泡塑料材料表現(xiàn)也極為出色。聚氨酯發(fā)泡材料和發(fā)泡聚丙烯材料等多種發(fā)泡材料已經(jīng)量產(chǎn)，并應(yīng)用于汽車內(nèi)飾件，如儀表盤、汽車坐墊靠背、車門扶手等多種汽車零部件。同時，微孔聚氨酯泡沫塑料還用作車底板減振墊，以代替橡膠材料隔離車體與框架，以改善駕乘體驗。

作為一種工藝簡單，低成本材料，同時在吸收能量、緩沖振動和減少噪音方面有著不錯表現(xiàn)，發(fā)泡材料在汽車生產(chǎn)中有良好的前景，同時內(nèi)部大量的泡孔結(jié)構(gòu)，一定程度上也減少了原材料的投入，有利于節(jié)約資源。由于具有多項優(yōu)點，發(fā)泡材料在未來會被更廣泛的應(yīng)用于車身部件制造。

2.3 荷葉-防霧涂層材料

2.3.1 荷葉的植物學(xué)微觀結(jié)構(gòu)特點與啟示

為什么露水滴到荷葉表面上會形成圓圓的，純潔透明的露珠，而沾到其他地方則會浸透或是散開呢？通過觀察荷葉微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，這是由于荷葉表面的微米級突起以及納米級的絨毛所共同產(chǎn)生的一種超疏水性。汽車駕駛室內(nèi)，冬季或雨季時車內(nèi)人員呼出的水蒸氣在冷的玻璃表面會形成一層水霧，影響駕駛員視野，這種超疏水性為解決駕駛室玻璃霧化現(xiàn)象提供了一種思路，即通過在玻璃表面構(gòu)建一種類似于荷葉表面的極其微小的粗糙結(jié)構(gòu)，來提高玻璃的疏水性，進(jìn)而減少小水珠在玻璃上的附著。除了這種玻璃防霧涂層材料的應(yīng)用外，根據(jù)荷葉的這種超疏水特性，還研制出了專門應(yīng)用于車身上的納米涂層材料，這種仿生涂層有著類似于荷葉的自我清潔功能，能有效減少水在車身上的附著，防止腐蝕[7]。

2.3.2 應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

據(jù)統(tǒng)計每年發(fā)生的交通事故中，由于駕駛員視線受阻而造成的交通事故占有很大比例，因此為保證駕乘人員的安全，防止或消除車窗霧化是非常有必要的。

對于傳統(tǒng)的乘用車來說,主要使用發(fā)動機的熱風(fēng)來消除玻璃的霧化,但是發(fā)動機熱風(fēng)除霧一般需要10 min才能完全消除前檔風(fēng)玻璃表面的霧;對于電動汽車來說,采用空調(diào)除霧或其他加熱手段對玻璃加熱除霧,都需要耗費不少的電能;據(jù)國外相關(guān)廠商測試,開啟空調(diào)除霧時,電動消耗的電能會增10%～15%,會導(dǎo)致縮短電動車的續(xù)駛里程[8]。而采用這種仿荷葉現(xiàn)象的涂層材料，則可以完美解決上述問題。目前已經(jīng)有一部分企業(yè)開始推出相關(guān)產(chǎn)品，超疏水涂層材料已經(jīng)開始了產(chǎn)業(yè)化。

汽車玻璃防霧涂層材料的應(yīng)用不僅可以減少傳統(tǒng)汽車熱風(fēng)除霧需要的時間，提高行車安全性，還能節(jié)省電動汽車除霧消耗的電能，提高電動車的續(xù)駛里程。當(dāng)前中國大力發(fā)展新能源汽車尤其是純電動汽車的背景下，未來道路上主流的車輛必然是電動汽車，其數(shù)量也必然大幅且快速的增長。而使用防霧涂層材料不僅提高了電動汽車在霧天以及一些惡劣環(huán)境行駛下的安全性，同時也相當(dāng)于“優(yōu)化”了電動汽車的續(xù)駛里程。因此，防霧涂層材料未來的應(yīng)用市場將會非常廣闊。

3 未來可用于汽車的仿生材料

3.1 自修復(fù)自適應(yīng)材料

3.1.1 自修復(fù)自適應(yīng)材料的生物學(xué)原理與啟示

自修復(fù)自適應(yīng)材料是近十幾年來興起的一種新型智能仿生材料，其核心源自于對自然界生物體損傷和愈合機制的研究，通過自動補給需要的物質(zhì)和能量，進(jìn)而實現(xiàn)材料內(nèi)部或者外部損傷的自修復(fù)與自愈合。美國賓夕法尼亞大學(xué)的工程師此前就仿造骨骼愈合的原理，研發(fā)了1種可以在室溫下修復(fù)金屬的方法，稱之為“愈合法”[9]。通過在某些特定金屬材料的表面鍍上一層聚合物涂層，來形成了1種自修復(fù)自適應(yīng)材料，當(dāng)該材料制成的部件受損時，只需要對暴露在外的受損部位采用電鍍技術(shù)，便能在短時間內(nèi)復(fù)原。雖然并非真正意義上的“自愈法”，因為仍然需要外部的電源和原材料，但是其作者認(rèn)為該方法與人體骨骼自愈的方法類似，與骨骼自愈一樣，材料被修復(fù)的區(qū)域比受損以前更強壯（圖2），因為愈合部位會長出額外的金屬材料。

圖2 自愈合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.1.2 自修復(fù)自適應(yīng)材料的應(yīng)用

在汽車使用過程中，由于種種原因車身表面經(jīng)常會發(fā)生刮蹭掉漆，有時為了一小點刮蹭特地去補漆既花費金錢又耗費時間。如果將有自愈合特性的材料應(yīng)用于車身上，再發(fā)生這樣的刮蹭事件，車主只需給它一點時間，等待其復(fù)原就好，省時省力。另一方面，企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率，車身的鑄造越來越集中化、整體化，最著名的便是特斯拉的“一體化鑄造”技術(shù)，幾乎將整個車身的部件都集中在一次鑄造中完成。雖然提高了生產(chǎn)效率，但同時也提高了維修成本，有時候一小個地方受損，就得換很大一塊部件，拆卸也不方便。而如果一開始便利用自修復(fù)材料來鑄造車身以及一些部件，便可完美解決這些問題。

3.2 仿變色龍自感知變色材料

3.2.1 變色龍自感知變色的生物學(xué)原理與啟示

變色龍的變色偽裝本領(lǐng)在自然界是非常出色的，它的表皮中有一種結(jié)構(gòu)-皮膚感受器，其中有各種顏色的色素細(xì)胞，當(dāng)外界環(huán)境變化時，皮膚感受器接收到外界信號，自動調(diào)整內(nèi)部色素細(xì)胞，做出顏色改變[10]。

3.2.2 仿變色龍自感知變色材料的應(yīng)用

應(yīng)用到車輛內(nèi)飾材料，可以根據(jù)乘車人員的心情或是要求來對內(nèi)飾顏色做出改變；而應(yīng)用到車輛外部則可以使汽車在某些特殊情況下通過改變自身的顏色具有一定的偽裝隱蔽性。

3.3 仿生光電材料

3.3.1 植物光電作用的原理與啟示

綠色植物內(nèi)含有的葉綠體能夠通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，為自身提供能量。我國科學(xué)家根據(jù)葉綠體的功能研制出新型的染料敏化太陽能電池,能直接將11%的太陽能轉(zhuǎn)化成電能,成本較低,使用壽命較長。美國普渡大學(xué)科學(xué)家利用納米碳管和DNA材料,仿生研制出具有自我修復(fù)能力的太陽能電池,這種電池中被破壞的染料可以不斷得到更新,具有自我修復(fù)的能力,從而使用的年限大幅提高[10]。

3.3.2 仿生光電材料的應(yīng)用

當(dāng)前電動汽車發(fā)展的一個瓶頸就是續(xù)駛里程不能滿足用戶需求，即用戶的里程焦慮問題。里程焦慮問題反應(yīng)的是電動汽車一次充電儲存的電量不能夠維持出行需求，當(dāng)然從安全角度出發(fā)電量儲存也不能過多，而如果引入仿生太陽能電池，則可以兼顧考慮到這2方面的問題，既不用一次儲存太多電量，保證了安全，又能夠通過“邊跑邊充電”的模式，使得汽車有一個較長的續(xù)駛里程。

3.4 仿生蛛絲材料

3.4.1 蜘蛛絲的生物學(xué)結(jié)構(gòu)特點與啟示

蜘蛛絲具有極好的機械強度，其強度遠(yuǎn)高于蠶絲、滌綸，而剛性和強度低于凱夫拉纖維和鋼材，但其斷裂能位于各纖維之首，高于凱夫拉纖維和鋼材。與人造纖維相比，蜘蛛產(chǎn)生纖維的過程和纖維本身對人類和環(huán)境都是友好的，蜘蛛絲還具有高彈性、高柔韌性和較高的干濕模量，是人們已知的世界上性能最優(yōu)良的纖維。

具備蜘蛛絲特征結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)應(yīng)具備與蜘蛛絲相近的力學(xué)性能。Dupont(Canada)公司發(fā)現(xiàn)山羊乳液中所含的奶蛋白同蜘蛛絲蛋白生產(chǎn)模式相同,他們將蜘蛛絲蛋白質(zhì)生產(chǎn)的基因移植到山羊的乳腺細(xì)胞中，從山羊的乳液中提取類似蜘蛛絲的可溶性蛋白，研制出模仿蜘蛛吐絲的最新技術(shù)，開發(fā)出新一代動物纖維，被譽為生物鋼材[11]。

3.4.2 仿生蛛絲材料的應(yīng)用

仿生蜘蛛絲材料的高柔韌性以及高彈性可以應(yīng)用于汽車上的安全氣囊。它可以近乎完美地匹配安全氣囊材料的性能要求，即仿生蜘蛛絲材料具有強度高、質(zhì)量輕、彈性好和化學(xué)穩(wěn)定性高及柔軟的特點?，F(xiàn)階段由于制造成本的原因，幾乎還沒有仿生蜘蛛絲材料在安全氣囊上的應(yīng)用的案例。未來，憑借其優(yōu)良的性能以及完美的符合程度，隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，仿生蜘蛛絲材料的制備成本會逐漸降低，大量應(yīng)用于安全氣囊的前景廣闊。

4 結(jié)語

材料作為汽車構(gòu)成的根本，對于整個汽車行業(yè)來說是非常重要的一環(huán)。在傳統(tǒng)材料基礎(chǔ)上，汽車性能再進(jìn)一步所需的成本會大幅提高，而仿生材料的出現(xiàn)則打破了傳統(tǒng)汽車材料的束縛，為汽車帶來了更多的可能性。仿生學(xué)及仿生材料學(xué)的快速發(fā)展，勢必也會帶動汽車的發(fā)展。對于未來車用仿生材料的發(fā)展要求，應(yīng)該要順應(yīng)整個汽車行業(yè)輕量化、低碳化和高安全性的發(fā)展，按照汽車所需，去精準(zhǔn)研發(fā)，才能更好滿足人們對于汽車性能越來越高的要求。