汽車新材料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

文 / 本刊記者 鄭雪芹

“汽車材料新動態(tài)”主題論壇現(xiàn)場

在“雙碳”目標(biāo)下，供應(yīng)鏈領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳減排的關(guān)鍵在于采用新技術(shù)、新材料、新工藝，從汽車零部件的開發(fā)設(shè)計到研究試制，從批量生產(chǎn)到原材料選用，幾乎各個環(huán)節(jié)都可以深入挖掘潛力，減少碳排放。

我國汽車產(chǎn)業(yè)在經(jīng)過了多年高速增長后，正進入產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和技術(shù)升級的新時期。在“雙積分”法規(guī)以及新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策的雙重驅(qū)動下，車用材料也迎來了新的發(fā)展機遇。傳統(tǒng)以鋼為主的汽車用材結(jié)構(gòu)，正向鋼鋁混合、全鋁車身、塑料復(fù)合材料和鎂合金等多材料混合應(yīng)用的趨勢發(fā)展。

整體來看，在全球節(jié)能與環(huán)保的大勢所趨下，汽車材料的應(yīng)用和發(fā)展始終圍繞著“綠色、低碳、輕量化”這一大方向。在10月16日由中國汽車工業(yè)協(xié)會、重慶兩江新區(qū)管理委員會聯(lián)合主辦的“2021中國汽車供應(yīng)鏈大會”之主題論壇“汽車材料新動態(tài)”上，多位來自業(yè)內(nèi)的專家學(xué)者和企業(yè)高層，分別基于自己的研究領(lǐng)域?qū)δ壳捌囆虏牧系膽?yīng)用和發(fā)展做了深度分析，主要集中在碳纖維復(fù)合材料、高性能纖維、汽車用輕合金材料、碳陶復(fù)合材料等輕量化材料，以及低碳橡膠材料等綠色低碳材料，并對汽車材料的工藝技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用進行了闡述。

中國汽車工業(yè)協(xié)會副秘書長羅軍民認(rèn)為，我國汽車工業(yè)的輕量化、智能化、電動化、網(wǎng)聯(lián)化具備先發(fā)優(yōu)勢，但是在關(guān)鍵材料上還存在短板，需要原材料等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的支撐，并與汽車領(lǐng)域之間架設(shè)有效“橋梁”，促進材料與汽車的融合創(chuàng)新，支撐汽車工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

碳纖維復(fù)合材料

東華大學(xué)教授、纖維材料改性國家重點實驗室副主任余木火和中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司、中國工程院院士蔣士成，都對碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用和進展進行了研究。

去年我國“雙碳”目標(biāo)的提出，倒逼CFRP（碳纖維復(fù)合材料）在量產(chǎn)車型的應(yīng)用步伐加快。當(dāng)前我國碳排放達(dá)110億噸，其中電力占40%，汽車碳排放占7%，石油（70%用于汽車燃油）占15%，汽車節(jié)能降耗減排迫在眉睫，任重道遠(yuǎn)。而輕量化是節(jié)能減排的必由之路，隨著碳纖維產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，技術(shù)不斷進步，產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，成本不斷降低，CFRP將成為汽車輕量化的重要途徑之一。

目前，汽車主機廠、零部件企業(yè)、材料供應(yīng)商、碳纖維制造企業(yè)、研發(fā)機構(gòu)等，均認(rèn)同碳纖維在汽車輕量化的重要作用和發(fā)展前景。其中很多主機廠已經(jīng)從研發(fā)樣件、樣車，到尋求量產(chǎn)車型應(yīng)用碳纖維的整體解決方案，比如結(jié)構(gòu)設(shè)計、自動化量產(chǎn)、批量應(yīng)用示范等。

從研發(fā)進展來看，我國已經(jīng)突破量產(chǎn)車型應(yīng)用碳纖維的技術(shù)經(jīng)濟瓶頸，一批量產(chǎn)車型開始使用碳纖維零部件，并出現(xiàn)了車用CFRP生產(chǎn)企業(yè)。在汽車主機廠中，如國新全碳纖維車身及其自動化生產(chǎn)線，上汽、北汽、長安、吉利、蔚來、特斯拉等量產(chǎn)車型已開始應(yīng)用CFRP零部件；同時涌現(xiàn)出一批CFRP零部件生產(chǎn)供應(yīng)企業(yè)，如澳盛科技、亨睿、卡萊、華漁傳動科技等，都已建立了低成本自動化量產(chǎn)零部件應(yīng)用示范生產(chǎn)線。

蔣士成院士建議，國家應(yīng)加大支持力度，建立中國汽車輕量化CFRP技術(shù)體系和供應(yīng)鏈體系，形成量產(chǎn)車型應(yīng)用示范效應(yīng)，包括：碳纖維低成本化，汽車專用高模量低成本碳纖維；CFRP模塊化設(shè)計, 減少零部件數(shù)量，降低自動化生產(chǎn)難度；攻克碳纖維與金屬混雜結(jié)構(gòu)難題；研發(fā)CFRP低成本化自動化量產(chǎn)技術(shù)與裝備，提高成型節(jié)拍（快速固化樹脂、熱塑性復(fù)合材料），降低CFRP成型成本。

碳陶復(fù)合材料

作為碳陶復(fù)合材料的研發(fā)機構(gòu)之一，中南大學(xué)教授、湖南世鑫新材料有限公司董事長肖鵬團隊代表，介紹了碳陶復(fù)合材料在乘用車制動盤上的應(yīng)用及發(fā)展，并對目前存在的問題提出了建議和解決方案。

乘用車碳陶制動盤目前所存在的問題是高成本。高成本限制了乘用車碳陶盤的推廣和應(yīng)用，目前國產(chǎn)碳陶盤應(yīng)用主要集中在改裝車這個領(lǐng)域。實現(xiàn)碳陶盤的低成本制備，建議可以從以下五個維度著手。

首先是原材料方面，碳陶盤原材料成本大部分源自碳纖維，這部分可以通過優(yōu)化碳纖維的牌號和含量來實現(xiàn)原材料成本的降低。

其次是制備工藝方面，長纖盤制備周期長主要受限于熱工藝，而熱工藝又包含CVI增碳工藝和反應(yīng)熔滲陶瓷化工藝，可以通過開發(fā)多料柱限域CVI工藝和快速熔融工藝來實現(xiàn)生產(chǎn)周期的大幅度降低。

第三是智能化方面，因為碳陶盤的加工不同于傳統(tǒng)金屬盤，陶瓷組分的存在使其加工難度大和加工效率低。目前國內(nèi)碳陶盤的機械加工多為非智能化生產(chǎn)，通過智能化在線檢測和生產(chǎn)可以大幅度提高生產(chǎn)效率，進一步降低成本。

第四是新工藝和新方法方面，也有很多工作可以做。當(dāng)前長纖盤預(yù)制體是從方板上面切割下來，這樣會形成中間和四個角五塊余料，導(dǎo)致整個原材料的利用率非常低。中南大學(xué)研究團隊目前正在開發(fā)近尺寸預(yù)制體成型工藝，該工藝可以直接制備出環(huán)形坯體和通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)，這樣就可以大大提高原材料的利用率，同時還可以減少制動盤的機械加工量，大幅度降低制備成本。

第五個方面是能源價格。因為制備碳陶盤熱工藝所需的溫度高且時間長，用電量是非常大的，所以如果能夠爭取到優(yōu)惠的能源專項價格，對于碳陶盤的成本降低非常有幫助。

車用改性塑料

除了上述碳纖維復(fù)合材料和碳陶復(fù)合材料外，還有其他多種車用改性新材料。金發(fā)科技股份有限公司、汽車材料全球創(chuàng)新中心主任周英輝介紹了汽車行業(yè)改性新材料的發(fā)展趨勢。

從車用塑材開發(fā)的新需求來講，集成了車輛的使用階段，主要技術(shù)包括輕量化、復(fù)材、美學(xué)技術(shù)、創(chuàng)新功能、創(chuàng)新彈性體、創(chuàng)新特種材料等。其中輕量化的技術(shù)特點是首先有一個薄壁化的工程，比如保險杠慢慢過渡到更薄的，既能實現(xiàn)高減重，又能實現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍的提高。

還有一個輕量化的方案就是微發(fā)泡，包括成型方式，有一次性的欠注，還有滿注成型，再通過松退，實現(xiàn)中間層的發(fā)泡，類似于三明治的結(jié)構(gòu)。

增強材料也有一些對高性能玻纖使用的提升，可以有10%-20%的性能提升。它長期的耐疲勞性表現(xiàn)也很好，甚至超越了長玻纖的材料。

全塑車身結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方面，以尾門為例，內(nèi)板和外板用聚丙烯改性的材料，通過焊接的方式，實現(xiàn)整體的減重。其中內(nèi)板還要考慮更多，比如鋼度、強度、耐疲勞性，甚至要求有很好的散發(fā)特性。

納米注塑，類似通過二次注塑的形式，金屬嵌件的形式，逐漸替代金屬，達(dá)到減重的目的，大部分以工程材料為主，包括PPS、PBT等等。

另外在功能方面，有電磁屏蔽材料，既能實現(xiàn)電磁屏蔽，又能實現(xiàn)導(dǎo)熱，具有很廣闊的應(yīng)用前景。對于制件的表面標(biāo)識，可以實現(xiàn)激光打標(biāo)的材料也很多。還有透波類的，應(yīng)用于保險杠相關(guān)的雷達(dá)組件，可以減少對雷達(dá)信號的影響。

“汽車材料新動態(tài)”主題論壇嘉賓合影

汽車用輕合金材料

上海交通大學(xué)研究員、輕合金精密成型國家工程研究中心副主任蔣海燕代表中國工程院院士丁文江團隊，針對其在鋁合金和鎂合金等汽車用輕合金材料的研究成果，提出輕量化是解決能源和環(huán)保等全球性問題的必然選擇。

對于車身結(jié)構(gòu)件來說，其要求優(yōu)異的強度與塑性，對材料要求較為嚴(yán)格。然而目前的車身零件仍以鋼和鐵制件為主，工藝以鍛造和沖壓為主，而鋁合金車身結(jié)構(gòu)件需滿足“三位一體”的性能要求。丁文江院士團隊研究發(fā)現(xiàn)，對于目前的應(yīng)用來說，突破性的技術(shù)路線當(dāng)屬“Silafont?-36合金+高真空壓鑄+后續(xù)T7熱處理”。

目前壓鑄鋁合金車身結(jié)構(gòu)件存在的問題是“強度低+高真空+熱處理變形”，解決途徑為“非熱處理高強高韌合金+簡單可控壓鑄工藝”。因此，開發(fā)非熱處理高強韌壓鑄鋁合金，拓寬其在承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，對鋁合金材料提出更高的要求。

另一個汽車用輕合金材料——鎂合金具有比重小、比強度高、比剛度高、吸振降噪、電磁屏蔽、容易回收等多個優(yōu)點，汽車上可采用鎂合金的零部件可達(dá)60~100個，從變速箱外殼、汽缸蓋，到儀表板、轉(zhuǎn)向架，廣泛應(yīng)用于傳動、引擎、車體、底盤等系統(tǒng)的多個部件。

隨著鎂合金新材料和成型新技術(shù)的進展，鎂合金在汽車、3C產(chǎn)品、手動工具等領(lǐng)域的需求將會不斷增多。同時，隨著人們環(huán)境保護意識、低碳經(jīng)濟要求的不斷提升和我國節(jié)能減排力度的不斷加強，鎂合金及鎂加工產(chǎn)業(yè)將迎來其發(fā)展的黃金時機。

輪胎用綠色低碳橡膠材料

近幾年，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和科技的進步，對輪胎的綠色化提出了要求，因為輪胎也有比較嚴(yán)重的碳排放問題。所以作為新一代輪胎，必須要實現(xiàn)綠色化。

北京化工大學(xué)教授王朝團隊經(jīng)過多年的研究，針對輪胎用橡膠的碳排放問題給出了一些應(yīng)對策略。其中最重要的是通過原材料控制，來達(dá)到降低碳排放的目的。

北京化工大學(xué)研究團隊近些年致力于開發(fā)第二代天然橡膠，在我國的新疆和哈薩克斯坦邊界地區(qū)找到了一些野生的橡膠草，叫蒲公英橡膠草，其膠乳跟天然橡膠樹的膠乳是一樣的。目前，利用蒲公英提取的橡膠已經(jīng)成功制造了幾條輪胎，并獲得了比較高的關(guān)注。

北京化工大學(xué)副校長、教授張立群首次提出了“生物基工程彈性體”的概念。在之后的研究中，設(shè)計合成了原創(chuàng)的生物基衣康酸酯彈性體和生物基聚酯彈性體。

其中生物基衣康酸酯橡膠產(chǎn)量比較大，成本較低，通過酯化實現(xiàn)了非常多的結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控。利用這種橡膠做出的輪胎已進行了跑車實驗，濕抓、抗?jié)窕?、混凝土測試均得到了雙B級。

另一種生物基聚酯橡膠材料是可降解的。用生物基可降解聚酯橡膠做出的輪胎，是全球首批次的可降解輪胎。因為現(xiàn)在所有橡膠材料都是不可降解的，這是目前唯一可降解的橡膠材料，而且是北京化工大學(xué)獨立自主開發(fā)的。

當(dāng)然，除了原材料之外，針對綠色助劑的開發(fā)，對廢橡膠的回收利用，以及更節(jié)油的輪胎，對降低輪胎的碳排放都有助益。

汽車新材料發(fā)展趨勢

東風(fēng)汽車集團有限公司技術(shù)中心質(zhì)量驗證中心非金屬材料室室經(jīng)理熊芬結(jié)合自身的實踐，對“雙碳”背景下的汽車新材料發(fā)展趨勢進行了分析。

“雙碳”背景下，電動化、智能化、輕量化成為必然趨勢。為了提高新能源汽車?yán)m(xù)航里程，對一些碳纖維材料提出了比較高的要求。圍繞著“三電”系統(tǒng)，介電材料、導(dǎo)熱材料、電磁屏蔽的開發(fā)也提上了日程。

而對于智能化來說，特別是智能駕駛、智能座艙等，對智能材料從集成性、功能性、裝飾性三大方面也提出了更高的要求。未來肯定要打造一些個性化的需求，所以在智能方面的材料技術(shù)，以及涂裝的材料，特別是一些雙阻力的材料，或者高減震的材料，需求大幅提升。

從目前的整車材料分布比例來看，整車構(gòu)成材料種類高達(dá)40多種，其中，金屬材料占比72%，非金屬材料包括油漆、輪胎等相關(guān)材料占比28%。從整車材料發(fā)展趨勢來說，今后的發(fā)展方向是輕量化，在這方面也提出了比較高的要求。現(xiàn)在輕量化方面還是主要圍繞上裝和下裝的開發(fā)，比如混合車身、鋁材料底盤。

另外，在車內(nèi)內(nèi)飾部分，因為要提升一些舒適性，所以像透光皮革，也成為未來內(nèi)飾發(fā)展的趨勢。目前已經(jīng)實現(xiàn)了透光表皮中控扶手，能夠滿足消費者對整個區(qū)域軟處包覆的要求。

熊芬認(rèn)為，汽車材料工藝技術(shù)現(xiàn)階段的實現(xiàn)路徑主要包含結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以及高強鋼、輕金屬、工程塑料、復(fù)合材料及其相關(guān)的各種成形工藝技術(shù)，而未來的發(fā)展方向則要聚焦與優(yōu)化設(shè)計和多材料混合應(yīng)用。