車(chē)用輕量化高分子材料前瞻

方超

（東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司，柳州 545005）

主題詞：高分子材料 輕量化 汽車(chē)應(yīng)用

縮略語(yǔ)

FRP Fiber Reinforced Plastics

CNT carbon nanotubes

STF Shearing Thickening Fluid

STG Shearing Thickening Gel

PE Polyethylene

PP Polypropylene

EPR Ethylene Propylene Rubber

FRP Fiber Reinforced Plastics

TPU Thermoplastic Urethanes

PA Polyamide

CNF Cellulose Nanofibers

1 前言

隨著汽車(chē)發(fā)展、排放標(biāo)準(zhǔn)的提高及人們對(duì)汽車(chē)安全、燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)注，安全、節(jié)能、環(huán)保已成為汽車(chē)研發(fā)的熱點(diǎn)問(wèn)題。汽車(chē)輕量化是指在成本限制的條件下，為滿(mǎn)足汽車(chē)的安全性能，采用有效的設(shè)計(jì)方法，盡可能地降低汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量，從而起到提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染的作用[1]。世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告指出：汽車(chē)自重每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%，排放降低5%～6%。而燃油消耗每減少1 L，CO2排放量減少2.45 kg。燃油消耗量減少不僅有利于節(jié)約能源，也可有效減少污染物排放[2]?？梢?jiàn)，汽車(chē)輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和環(huán)保的重要手段和方法。

高分子材料擁有較低的密度和良好的性能，是減輕車(chē)體重量的有效途徑[3]。在汽車(chē)上應(yīng)用塑料件已達(dá)數(shù)百個(gè)，特別在重型卡車(chē)上，塑料和復(fù)合材料的應(yīng)用已超過(guò)150 kg[4-5]。這些年，已有較為成熟的輕量化高分子材料（低密度材料[6]、薄壁化材料[7]、微發(fā)泡材料[8]、蜂窩材料[9]）及各類(lèi)常見(jiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[10-11]，但在汽車(chē)“五化”（智能化、輕量化、電動(dòng)化、共享化和網(wǎng)聯(lián)化）要求下[12]，對(duì)具有更高輕量化能力的高分子材料的需求也日趨增加[13]。

近年來(lái)，通過(guò)企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)的努力，對(duì)新型輕量化材料也進(jìn)行了廣泛的研究，主要通過(guò)加強(qiáng)材料的強(qiáng)度和/或降低材料的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)輕高強(qiáng)的性能。雖然這些材料目前還沒(méi)有廣泛應(yīng)用，但是代表著材料未來(lái)輕量化的前沿方向，對(duì)未來(lái)汽車(chē)材料的輕量化具有很好的借鑒指導(dǎo)作用。本文按照這些新型材料輕量化側(cè)重點(diǎn)的不同將其分為3類(lèi)（圖1）：強(qiáng)度類(lèi)、密度類(lèi)以及綜合類(lèi)，并對(duì)材料的性能進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)。

圖1 輕量化材料分類(lèi)

2 汽車(chē)輕量化高分子材料前瞻

2.1 強(qiáng)度類(lèi)高分子材料

2.1.1 纖維增強(qiáng)材料

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[14]（Fiber Reinforced Plas?tics，F(xiàn)RP）主要將纖維與具有黏結(jié)性的基體樹(shù)脂進(jìn)行膠合，再經(jīng)過(guò)模具極易成型得到性能優(yōu)異的復(fù)合材料[15-16]，是1種新型的材料，其中纖維材料對(duì)于FRP性能的提升起著重要的作用。相比于傳統(tǒng)的鋼材，對(duì)于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)效率、改善結(jié)構(gòu)可靠性、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命具有其它材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[15-17]。目前，玻纖[11]、天然纖維[18]、玄武巖纖維[19]及碳纖維[20]等增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車(chē)領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注或應(yīng)用。FRP具有密度低、拉伸強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)[10,20-21]、同時(shí)也具有剪切強(qiáng)度低、彈性模量低、熱穩(wěn)定性差等不足[15]。

目前，已研究了一些綜合性能更好的新型纖維材料（表1）。以碳納米管(Carbon Nanotubes,CNT)為例，最近，Akira T[39]等首次報(bào)道了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的單個(gè)結(jié)構(gòu)定義的單壁CNT的極限拉伸強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型的碳納米管的拉伸強(qiáng)度可能在60 GPa以上，這是建造太空梯的最小閾值要求，目前在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以制造出這樣的高強(qiáng)度碳納米管材料。清華大學(xué)Bai等[29]報(bào)道了超長(zhǎng)碳納米管管束，其拉伸材料的拉伸強(qiáng)度超過(guò)80 GPa，比強(qiáng)度高達(dá)62.5 GPa/g·cm-3，超過(guò)T1000碳纖維強(qiáng)度10倍以上。雖然上述纖維具有良好的理論強(qiáng)度，但是在實(shí)際研究過(guò)程中，往往很難達(dá)到，這是因?yàn)閷?shí)際的纖維不可避免的存在結(jié)構(gòu)缺陷，并且表現(xiàn)出相當(dāng)程度的分散性，因此阻礙了制造具有理想強(qiáng)度重量比的宏觀結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展。比如單壁碳納米管理論上具有100～200 GPa范圍內(nèi)的極限固有拉伸強(qiáng)度，目前研究出的材料，強(qiáng)度雖然逐漸接近，但都沒(méi)有辦法達(dá)到。

表1 各種纖維性能

雖然，對(duì)于如何達(dá)到纖維的理論強(qiáng)度還需要繼續(xù)研究，但為得到更好性能的FRP提供了可能。Li等[34]報(bào)道了一種石墨烯纖維，通過(guò)氣液固工藝將碳化硼納米線(xiàn)與石墨烯粘合在一起，獲得石墨烯包裹的石墨烯纖維。添加0.2 vol%的石墨烯纖維增強(qiáng)的環(huán)氧復(fù)合材料，其強(qiáng)度（144.2 MPa）、彈性模量（3.5 GPa）和斷裂應(yīng)變（15.0%）均同時(shí)提高。此外，在保持材料基本性能不變的情況下，研究還朝著賦予纖維更多功能的方向發(fā)展。美國(guó)萊斯大學(xué)生產(chǎn)了一種CNT纖維（4.2 GPa），除了比現(xiàn)有的芳香聚酰胺類(lèi)合成纖維Kevlar（3.6 GPa）的強(qiáng)度更高外，還具有現(xiàn)有纖維中最強(qiáng)的導(dǎo)電率（10 900 kS/m），除了起增強(qiáng)的作用，也可以給醫(yī)療、導(dǎo)電材料應(yīng)用等領(lǐng)域帶來(lái)突破[40]。

這些新纖維由于成本及生產(chǎn)條件等多個(gè)不良因素的影響，目前研究應(yīng)用仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，但它們?cè)谧非蟾邚?qiáng)度的同時(shí)，還在追求更小的密度（表1）及多種特殊的功能。具有優(yōu)秀性能的新纖維，為未來(lái)取代傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)材料提供了思路，在汽車(chē)輕量化上也有良好的使用前景。

2.1.2 剪切增稠材料

汽車(chē)作為載人的高速交通工具，安全是所有人考慮的首要因素。在材料方面，主要通過(guò)使用高強(qiáng)度鋼來(lái)提高汽車(chē)的安全性。一方面，鋼具重量較重；另一方面，所有高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度在沖擊后都會(huì)逐漸下降，并不能接受多次甚至二次碰撞。而剪切增稠材料是一種強(qiáng)度在受到?jīng)_擊時(shí)突然變大且強(qiáng)度與沖擊有正相關(guān)的智能高分子材料，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)可以解決這種多次碰撞時(shí)引起的材料強(qiáng)度下降的問(wèn)題[12]。

剪切增稠是一種非牛頓流體的性能，且具有可逆性。表現(xiàn)形式為：具有該性能的流體當(dāng)受到的剪切速率超過(guò)某一臨界值時(shí)該流體的粘度會(huì)突然增加；當(dāng)剪切速率逐漸降低時(shí)粘度也會(huì)恢復(fù)到初始值（圖2）[41]。目前剪切增稠材料主要分為剪切增稠液(Shearing Thickening Fluid,STF)和剪切增稠膠(Shearing Thicken?ing Gel,STG)。

圖2 在低速和高速下將小棍拔出的剪切增稠對(duì)比試驗(yàn)[42]

由于STF使用時(shí)一般只能附著在材料表面，且不穩(wěn)定、不易封存及攜帶、并容易從纖維表面脫落，使用受限。STG克服剪切增稠液的上述不足，在不受力的情況下，柔軟而富有彈性，當(dāng)收到外界劇烈沖擊時(shí)，材料內(nèi)部分子會(huì)迅速相互作用而變硬。當(dāng)外界沖擊消失，膠體又恢復(fù)到原先的柔軟狀態(tài)。STG更易封裝，攜帶更方便，性能更穩(wěn)定，更易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化[43]，美國(guó)科學(xué)家在2005年已經(jīng)研發(fā)出了一種STG D30[44]，并于2006年冬奧運(yùn)會(huì)時(shí)，用于美國(guó)和加拿大的高山滑雪隊(duì)的滑雪服中。現(xiàn)在已經(jīng)在很多領(lǐng)域中有了應(yīng)用，如防護(hù)裝甲、減震頭盔、護(hù)腿等[45-46]。國(guó)內(nèi)近些年的研究也有相似的產(chǎn)品（P4U）出現(xiàn)，并開(kāi)始與國(guó)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)廠商合作生產(chǎn)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品。由于材料本身像橡皮泥那樣柔軟、易變形而不能定型、不能承重等不足，使其目前無(wú)法直接應(yīng)用到汽車(chē)上。但該材料良好的安全防護(hù)性能在汽車(chē)上具有很大的應(yīng)用潛力，可與各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合得到各種取代金屬的輕量化產(chǎn)品，已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)很多相關(guān)的汽車(chē)產(chǎn)品專(zhuān)利[47-49]，為在輕量化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能化提供了可能。

2.2 密度類(lèi)

2.2.1 可膨脹微球

可膨脹微球是一種新型添加劑，并被稱(chēng)為高端工業(yè)“味精”，以熱塑性高分子材料為殼、可揮發(fā)性物質(zhì)（如低沸點(diǎn)烷烴液體）為核的微球。熱塑性聚合物外殼對(duì)封入的可揮發(fā)性物質(zhì)形成了完整的密封，直徑一般為10～30μm，殼層厚度多在2～15μm，具有良好的彈性，并能承受很大的壓力而不破裂（圖3a）[50-51]。

可膨脹微球使用原理[50-51]：當(dāng)加熱時(shí)，熱塑性殼體變軟，同時(shí)核層會(huì)產(chǎn)生大量的氣體，微球的體積快速增大，完全膨脹后，膨脹微球的直徑從10μm增大至40μm，體積增加約20～100倍，密度可從1.1 g/L下降到0.02～0.03 g/L。當(dāng)冷卻時(shí)，膨脹微球外殼再次變硬，體積和形狀固定，且經(jīng)過(guò)輕微膨脹的微球，再次加熱可二次膨脹。微球膨脹過(guò)程是外殼軟化、外殼氣密性、外壓和微球內(nèi)氣體壓力增加之間的一個(gè)微妙平衡。

可膨脹微球發(fā)泡溫度范圍寬，從70℃～200℃，易加工，可根據(jù)各種不同加工溫度和工藝要求，選擇最合適的微球型號(hào)。有以下良好的性能[50-51]：

a.優(yōu)良的彈性，熱塑性殼體有優(yōu)異的耐壓性，表面可承受300 kg/cm2的壓力，良好的回彈性可以承受多次循環(huán)加壓/卸壓而不破裂。

b.優(yōu)異的發(fā)泡性能，體積可達(dá)到原來(lái)20～100倍，可用于汽車(chē)保險(xiǎn)杠、輪罩、儀表盤(pán)、門(mén)板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、進(jìn)氣系統(tǒng)、側(cè)護(hù)板等部件，可增加產(chǎn)品體積、降低密度、提高抗熱性能及抗壓性等性能（圖3b）[50-51]。

圖3 可膨脹微球

國(guó)外最早的熱塑性可膨脹發(fā)泡微球技術(shù)研究可追溯到20世紀(jì)70年代，高溫?zé)崤蛎浳⑶虻难芯科鸩接?0世紀(jì)90年代末。由于我國(guó)研究起步時(shí)間晚，加之專(zhuān)利限制等因素，使用不多；目前熱塑性可膨脹發(fā)泡微球的生產(chǎn)主要集中在荷蘭的akzo（阿克蘇諾貝爾公司）、日本的松本油脂制藥株式會(huì)社、積水化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社和美國(guó)的POLYCHEM公司等公司[51]，最近山西運(yùn)研新材料公司正在建設(shè)具有年產(chǎn)11×104t可膨脹微球項(xiàng)目，此項(xiàng)目打破國(guó)外壟斷，為在國(guó)內(nèi)推廣及應(yīng)用提供了可能[52]。

2.2.2 聚酰胺泡沫材料

據(jù)報(bào)道，材料供應(yīng)商旭化成(Asahi KASEI)已經(jīng)新開(kāi)發(fā)出世界上第一種創(chuàng)新型聚酰胺（Polyamide,PA）珠子泡沫塑料（圖4a）：即在聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)成型設(shè)備上，采用蒸汽成型工藝，制得PA發(fā)泡珠材料。并在生產(chǎn)過(guò)程中可顯著減少樹(shù)脂，從而有效降低總成本。PA泡沫材料除了具有聚酰胺典型的耐化學(xué)、耐油和耐熱性能外，還具有優(yōu)異的剛性或降噪能力。后2者性能由珠子的形狀決定：圓形珠子組成的PA泡沫具有很強(qiáng)的剛性，是鋁和金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)良替代材料，也可用于生產(chǎn)絕緣體、導(dǎo)管、墊片或電動(dòng)汽車(chē)電池外殼等其他輕質(zhì)部件；具有C型或通心粉形狀的PA泡沫除了典型的聚酰胺特性之外，還具有降噪性，在很多汽車(chē)部件中有潛在的應(yīng)用，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)艙中，材料可以展現(xiàn)其獨(dú)特的品質(zhì)[53]。

最近，另一材料供應(yīng)商巴斯夫宣布首次推出了基于不同等級(jí)的聚酰胺組合泡沫顆粒（圖4b），該材料具有獨(dú)特的特性，包括耐高溫、出色的耐化學(xué)性、剛度及強(qiáng)度，可以與燃料、機(jī)油和潤(rùn)滑劑接觸。此外，閉孔泡沫結(jié)構(gòu)提供了出色的抗壓強(qiáng)度，而抗壓強(qiáng)度是在承受高強(qiáng)度碰撞時(shí)的必要性能。成型零件的密度可以在0.15～0.60 g/cm3的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，其可靈活調(diào)整的密度使其可以在輕量化產(chǎn)品中得到應(yīng)用[54]。

PA泡沫除了具有低密度的特性外，也在追求更好的性能。在泡沫界，金屬泡沫具有防彈護(hù)身功能，最近佐德風(fēng)公司ZOTEFOAMS利用獨(dú)特的氮?dú)獍l(fā)泡工藝，開(kāi)發(fā)了具有防彈能力的PA6基材的交聯(lián)閉孔泡沫(ZOTEK N尼龍泡沫，圖4c)，對(duì)該泡沫集成的防彈/防護(hù)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，其背凸深度在25～30 mm左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于美國(guó)防彈標(biāo)準(zhǔn)（NIJ）要求。該泡沫集中了尼龍和泡沫的綜合優(yōu)勢(shì)于一體，包括：較輕的密度（0.052～0.100 g/cm3）、優(yōu)越的耐溫性能（可達(dá)205℃）、極強(qiáng)的“吸能”性能、透氣、耐洗、可重復(fù)使用、優(yōu)異的耐化學(xué)性、極低的導(dǎo)電率。它也可以用來(lái)制造復(fù)合材料的夾心層（三明治結(jié)構(gòu)），在不降低性能情況下，大大降低重量，從而提高相關(guān)設(shè)備的綜合性能，可應(yīng)用于防彈、防護(hù)行業(yè)、防護(hù)面板、頭盔及懸掛系統(tǒng)，以及相關(guān)行業(yè)的復(fù)合應(yīng)用，在汽車(chē)防護(hù)領(lǐng)域（防熱罩、熱塑隔熱電池組、變速傳動(dòng)密封等）的輕量化具有廣泛的應(yīng)用潛力[55]。

圖4 聚酰胺泡沫材料

2.2.3 氣凝膠材料

氣凝膠是由膠體粒子或聚合物分子相互聚集構(gòu)成的微納多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿(mǎn)空氣分散介質(zhì)的一種新型輕質(zhì)固體材料，具有極低的表觀密度（可低至0.002 g/cm3）、高孔隙率（80%～99.8%）、高比表面積（100～2 000 m2/g）等特點(diǎn)，從而使其具有良好的阻隔性能、極低的熱導(dǎo)率（0.01～0.04 Wm-1·K-1）以及高吸附、催化和負(fù)載等優(yōu)異性能。因此，氣凝膠有望作為隔熱保溫材料、阻燃材料、隔音材料、輕量化材料、催化劑載體材料、光學(xué)器件及電極能源材料等得到廣泛應(yīng)用，被視為“未來(lái)最具潛力的十大材料之一”[56-58]。

世界上第一塊氣凝膠是Kistler在1931制得的SiO2氣凝膠[59]，到20世紀(jì)80年代末，氣凝膠迎來(lái)了從無(wú)機(jī)領(lǐng)域向有機(jī)領(lǐng)域的大發(fā)展—Pekala[60-61]等成功實(shí)現(xiàn)了有機(jī)氣凝膠的制備。在人們對(duì)于氣凝膠在聲、熱、光、電等各方面的物理性能進(jìn)行了更加深入地研究，氣凝膠在保溫、聲學(xué)、電學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛能也被相繼提出并逐漸發(fā)展[56-58]。隨后國(guó)內(nèi)對(duì)于氣凝膠研究和應(yīng)用，也逐漸趕上并達(dá)到世界先進(jìn)水平：在研究上，浙江大學(xué)高超課題組通過(guò)將石墨烯和碳納米管混合的水溶液在低溫環(huán)境下處理得到一種新的超輕氣凝膠——全碳?xì)饽z（圖5a），成功刷新了最輕材料的世界紀(jì)錄，其密度僅為0.16 mg/cm3[62]；在應(yīng)用上，此次中國(guó)的“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器和“祝融號(hào)”火星車(chē)，采用的是中國(guó)航天科工三院306所研發(fā)的氣凝膠材料。為對(duì)抗火星“冰火兩重天”的溫度考驗(yàn)，耐高溫納米氣凝膠隔熱組件用于阻隔著陸發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高達(dá)1 200℃的高溫?zé)崃鳎Ｗo(hù)著陸平臺(tái)的正常功能；而耐低溫納米氣凝膠組件則用于“祝融號(hào)”火星車(chē)的表面，這樣能夠確?；鹦擒?chē)在-130℃的環(huán)境正常工作（圖5b）[63]。

圖5 氣凝膠材料及應(yīng)用

通常，氣凝膠的制備過(guò)程分為2步：先制備果凍狀的水凝膠，然后通過(guò)冷凍干燥或超臨界干燥等技術(shù)手段得到氣凝膠。然而，這些干燥處理技術(shù)往往耗能高或耗時(shí)較長(zhǎng)，需要特殊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，從而大大增加了氣凝膠的制造成本及時(shí)間，阻礙了其大規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用[56-58]。最近，Lars等[64]開(kāi)發(fā)出一種新穎的、低成本且可持續(xù)的生產(chǎn)氣凝膠的技術(shù)路線(xiàn)，只需要借助廚房冰箱冷凍層，通過(guò)丙酮（和酸）溶劑交換和空氣干燥等簡(jiǎn)單程序，便可以輕松制備出纖維素納米纖維（CNF,Cellulose Nanofibers）氣凝膠，從而避免了高耗能的冷凍干燥和超臨界干燥等復(fù)雜的方法，提供了新的綠色環(huán)保、低成本且高效的方法，為大規(guī)模制備氣凝膠材料提供了可能。

雖然氣凝膠目前無(wú)法批量化生產(chǎn)及應(yīng)用，但其很低的密度及優(yōu)秀的性能非常符合汽車(chē)的輕量化發(fā)展趨勢(shì)（如：隔熱毛氈[65]、保溫廂體[66]），在未來(lái)汽車(chē)輕量化上具有很大的使用潛力。

2.3 綜合類(lèi)

2.3.1 仿生多孔新材料

仿生結(jié)構(gòu)材料是通過(guò)研究生物形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料、功能及其相互關(guān)系，分析生物功能、結(jié)構(gòu)與工程的相似性，從而設(shè)計(jì)并制備的仿生結(jié)構(gòu)材料[67]。目前已對(duì)動(dòng)物類(lèi)（如：啄木鳥(niǎo)頭骨、壁虎腳、蜻蜓翅膀、貝殼）和植物類(lèi)（如：木材、竹子、樹(shù)葉、硅藻）等材料（圖6）進(jìn)行了廣泛研究[68-69]。

圖6 各種材料的強(qiáng)度與密度的關(guān)系[69]

多孔材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、減震吸能、隔熱隔音等優(yōu)異性能，在航空航天、輕量化軍事裝備等方面都有廣泛應(yīng)用潛力，也是汽車(chē)輕量化材料未來(lái)發(fā)展應(yīng)用的一個(gè)前沿方向。然而，目前人工合成的多孔材料，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和性能優(yōu)越性方面仍遠(yuǎn)落后于許多天然生物多孔材料，因?yàn)樯锏倪M(jìn)化趨向是用最少的材料來(lái)承擔(dān)最大的外力[67]，因此模仿天然生物材料的結(jié)構(gòu)并理解其優(yōu)異性能的機(jī)制將有助于設(shè)計(jì)新一代的高性能低密度的多孔材料[70]。

甲蟲(chóng)鞘翅是國(guó)內(nèi)研究較多的一種具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、耐損傷等優(yōu)良性能的多孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。比如陳錦祥等[71]通過(guò)模仿甲蟲(chóng)前翅內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)制造出蜂窩-柱子芯復(fù)合材料的三維模型，其具有抗壓強(qiáng)度好、抗扭曲能力強(qiáng)，質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)。

近期，柏浩等[70]發(fā)現(xiàn)天然墨魚(yú)骨為層狀結(jié)構(gòu)，層間由不對(duì)稱(chēng)波浪壁連接，這種結(jié)構(gòu)讓具有90%以上孔隙度的墨魚(yú)骨可以承受水下100～400 m的靜水壓。受天然墨魚(yú)骨結(jié)構(gòu)啟發(fā)，該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了輕質(zhì)、高強(qiáng)并且具有高能量吸收能力的新型多孔材料，該仿墨魚(yú)骨材料甚至能夠承受超過(guò)自身5萬(wàn)倍的重量。

仿生材料除了追求輕質(zhì)高強(qiáng)的基本性能外，還在研究材料的多功能化。俞書(shū)宏院士課題組[72]以木材獨(dú)特取向的孔道結(jié)構(gòu)為靈感，以傳統(tǒng)的熱固性樹(shù)脂（如酚醛樹(shù)脂和密胺樹(shù)脂）為基體材料，成功研制了一系列具有取向孔道結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂基仿生人工木材，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的陶瓷基仿木頭結(jié)構(gòu)材料。該材料除了具有輕質(zhì)（密度<600 mg/cm3）、高強(qiáng)(高達(dá)45 MPa)的特點(diǎn)外，由于采用樹(shù)脂作為基體材料，仿生人工木材還表現(xiàn)出優(yōu)異的耐水、耐酸腐蝕、防火和隔熱性能、綜合性能優(yōu)于多種氣凝膠材料、工程材料和商業(yè)等產(chǎn)品。

雖然陸續(xù)有很多生物結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)和研究利用，但由于動(dòng)植物結(jié)構(gòu)的精細(xì)及復(fù)雜程度，特別是多孔結(jié)構(gòu)及各種復(fù)合結(jié)構(gòu)（如堅(jiān)硬外殼或鱗片結(jié)構(gòu)[73]）（圖7），目前還難以完全模擬，大規(guī)模工業(yè)化短期難以實(shí)現(xiàn)，大量研究成果仍處于實(shí)驗(yàn)階段。但這些研究為利用生物啟發(fā)設(shè)計(jì)和制造高性能多孔輕量化材料提供了新的策略，為未來(lái)汽車(chē)、軍事等領(lǐng)域使用提供了理論可能。

圖7 各種生物多孔結(jié)構(gòu)

2.3.2 微點(diǎn)陣材料

微點(diǎn)陣材料是近年來(lái)興起的一種新穎的多功能超輕材料。從2011年Schaedler等[74]制備得到超輕多孔微點(diǎn)陣鎳材料（ρ≥0.9 mg/cm3），成為當(dāng)時(shí)“世界上最輕的材料”以來(lái)，對(duì)微點(diǎn)陣材料的研究不斷增加（圖8a）。

圖8 微點(diǎn)陣及應(yīng)用

微點(diǎn)陣材料是一種微米量級(jí)的點(diǎn)陣材料，最大的特點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)的有序性，與其它超輕材料（如：氣凝膠）相比是一種周期性有序且可設(shè)計(jì)性極高的多孔材料，具有更好的硬度和比強(qiáng)度等力學(xué)性能（圖9），且該類(lèi)材料在吸/疏水、電磁、光學(xué)、聲學(xué)、吸能等方面有著不可思議的特殊能力。所以，其應(yīng)用潛力十分廣泛，包括航天航空、醫(yī)療器材、減震器[79]、機(jī)器人[75]（圖8b）、散熱器[76]（圖8c）、電池電極[80]，汽車(chē)等領(lǐng)域[81]。

圖9 現(xiàn)有材料的強(qiáng)度與密度的關(guān)系[82]

微點(diǎn)陣材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，借助計(jì)算機(jī)軟件可按照需要設(shè)計(jì)任意結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)制造方法制造的點(diǎn)陣多孔材料的缺陷多,難以生產(chǎn)復(fù)雜、精細(xì)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，近年來(lái)快速發(fā)展的增材制造技術(shù)為微點(diǎn)陣材料的制備提供了可能，既減少了生成工序也可制造任意復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)[83]。比如Jacobsen等[84]在3D打印的光敏樹(shù)脂微點(diǎn)陣材料表面浸漬丙烯腈，然后高溫?zé)g得到了超輕的玻璃碳微點(diǎn)陣，這種材料的壓縮強(qiáng)度可達(dá)到10.2 MPa（圖8d）。Cheung等[78]制備出了一種的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，這種材料通過(guò)3D打印出來(lái)，并可以像積木一樣進(jìn)行可逆的拆卸、再組裝。其密度在7.2 mg/cm3時(shí)，對(duì)應(yīng)的彈性模量可達(dá)12.3 MPa。在相同重量下，比現(xiàn)有的超輕材料的剛度高10倍（圖8e）。

雖然，微點(diǎn)陣材料的制備工藝已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展，制備特征尺寸在微納級(jí)別的點(diǎn)陣材料也可以做到，但受限于原材料特性、工藝局限、材料表面及內(nèi)部缺陷及不可控因素還沒(méi)有得到較好的解決，還需要繼續(xù)研究[85-87]。

2.3.3 組合復(fù)合材料

對(duì)更高性能的輕量化材料，企業(yè)方面也在進(jìn)行持續(xù)的研究，主要的研究方向?yàn)橥ㄟ^(guò)將傳統(tǒng)各種材料進(jìn)行組合、結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)，以得到更優(yōu)性能的組合復(fù)合材料。

混合纖維和結(jié)構(gòu)泡沫增強(qiáng)聚合物：為取代傳統(tǒng)金屬設(shè)計(jì)，德國(guó)漢高采用高纖維增強(qiáng)聚合物（Fiber Rein?forced Plastics,FRP）和選擇性增強(qiáng)材料（源于漢高Teroson EP結(jié)構(gòu)泡沫）制成實(shí)體框架或載體。泡沫在被注入預(yù)定部分的載體中，并在混合組件和白車(chē)身的相鄰部件之間創(chuàng)建剛性連接。主要用于車(chē)身部位和封閉部件，包括保險(xiǎn)杠、擋泥板、門(mén)和門(mén)柱，以及門(mén)檻、側(cè)板和尾門(mén)。與傳統(tǒng)金屬部件相比，車(chē)輛可減重約40 kg。同時(shí)，不影響典型碰撞場(chǎng)景的安全性，并提升成本競(jìng)爭(zhēng)力[88]。

沙基工業(yè)推出了Xenoy HTX樹(shù)脂：這是一種以聚酯為基礎(chǔ)，能夠用于生產(chǎn)輕型、抗沖擊和高性能的汽車(chē)結(jié)構(gòu)。采用了混合蜂窩狀設(shè)計(jì)，可以在不影響尺寸穩(wěn)定性、剛性和機(jī)械強(qiáng)度的情況下，減輕60%的重量。該種材料作為一種輕型金屬替代解決方案，應(yīng)用包括白車(chē)身組件、結(jié)構(gòu)加固組件以及電動(dòng)汽車(chē)電池保護(hù)系統(tǒng)。此外，還提供一種可完全替代聚酰胺6.6（PA66）化合物和合金的材料。未填充的樹(shù)脂經(jīng)過(guò)改性，可以吸收大量的能量，并在發(fā)生碰撞時(shí)可以防止塑料變形。具有低溫延展性和極高的伸長(zhǎng)率，能夠在低溫情況下保持穩(wěn)定的性能。此外，該材料增強(qiáng)了流動(dòng)性，在保證成本效益的前提下，讓設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)復(fù)雜幾何形狀時(shí)，具備更大的自由度（圖10 a）[89]。

結(jié)構(gòu)組合材料：在2020年國(guó)際消費(fèi)電子產(chǎn)品展覽會(huì)上的日產(chǎn)汽車(chē)展示了全新輕量化超級(jí)隔音材料（圖10b）；該材料榮獲《Popular Science》（《科技新時(shí)代》）汽車(chē)類(lèi)最佳創(chuàng)新獎(jiǎng)。這種新材料由晶體結(jié)構(gòu)與塑料薄膜組合而成，可以有效控制空氣震動(dòng)，降低車(chē)輛在道路行駛和發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的寬頻噪音（500～1 200 Hz）的傳播。目前，該頻段隔音材料大部分由重型橡膠制成。全新超級(jí)隔音材料在重量上做出的優(yōu)化，使在不改變隔音效果的情況下，重量較傳統(tǒng)隔音材料減輕75%；且全新超級(jí)隔音材料的生產(chǎn)成本與傳統(tǒng)隔音材料幾乎持平，甚至更具有競(jìng)爭(zhēng)力，還適用于受成本或車(chē)身凈重限制的車(chē)輛[90]。

圖10 組合復(fù)合材料

雖然這些組合材料在輕量化效果上遠(yuǎn)達(dá)不到氣凝膠、微點(diǎn)陣等新材料的程度。但這些組合材料運(yùn)用已使用的傳統(tǒng)工業(yè)化材料來(lái)組合設(shè)計(jì)，可工業(yè)化生產(chǎn)潛能大，具有較早使用在汽車(chē)上、用來(lái)取代多個(gè)金屬零件來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化的可能。

3 結(jié)論

高分子材料在汽車(chē)輕量化領(lǐng)域中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，同時(shí)也推動(dòng)著高分子材料向高性能、低密度和多功能的方向發(fā)展。開(kāi)展新輕量化材料的研究對(duì)引領(lǐng)未來(lái)汽車(chē)輕量化起到推動(dòng)和支持作用。雖然這些新型輕量化材料具有優(yōu)秀的性能，但距離在汽車(chē)上使用仍然需要一段時(shí)間，主要原因?yàn)椋?/p>

（1）國(guó)外企業(yè)對(duì)輕量化材料的研究領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)（組合復(fù)合材料、聚酰胺泡沫），且存在技術(shù)封鎖（可膨脹微球），國(guó)內(nèi)雖有突破（剪切增稠材料、可膨脹微球），但還需要繼續(xù)追趕；

（2）科研關(guān)注的輕量化材料，部分也接近到或達(dá)到世界先進(jìn)水平（微點(diǎn)陣材料、高強(qiáng)度纖維、仿生材料、氣凝膠等），有一些材料已經(jīng)用于航天領(lǐng)域（如氣凝膠），但推廣應(yīng)用到汽車(chē)等多個(gè)日常領(lǐng)域，仍然面臨很多挑戰(zhàn)，還需要繼續(xù)研究，如新材料本身涉及到多領(lǐng)域和多學(xué)科，增加了研究難度；

（3）新材料生產(chǎn)成本極高、生產(chǎn)無(wú)法規(guī)模化等不良因素導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)無(wú)法推廣使用。

隨著增材制造、納米技術(shù)等科技的發(fā)展，對(duì)于制備體積更小、質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的輕量化材料將成為可能，同時(shí)這些材料的工業(yè)化也將隨著技術(shù)的發(fā)展而逐漸成為可能，相信未來(lái)在航天航空、軍事、汽車(chē)等多個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。