新材料在新能源汽車中的應(yīng)用研究

熊保勝

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷推進，新能源汽車成為汽車行業(yè)的發(fā)展方向和主要研發(fā)領(lǐng)域，不僅能減低汽車生產(chǎn)成本、提升汽車運行效率，還能夠降低環(huán)境污染、實現(xiàn)節(jié)能減排。與此同時新型材料的出現(xiàn)為新能源汽車的推廣帶來了優(yōu)勢條件。目前新材料主要有碳纖維復(fù)合材料、鋁合金材料以及驅(qū)動電機材料等三種，其性能上各有優(yōu)勢，也逐漸應(yīng)用于新能源汽車的應(yīng)用中，并且從其發(fā)展趨勢看，新能源車會逐漸加大與稀土行業(yè)的合作，從而獲取材料上的優(yōu)勢地位。

關(guān)鍵詞：新材料 新能源汽車 應(yīng)用策略

Research on the Application of New Materials in New Energy Vehicles

Xiong Baosheng

Abstract：With the continuous advancement of science and technology， new energy vehicles have become the development direction and main R&D area of the automotive industry， which can not only reduce vehicle production costs and improve vehicle operating efficiency， but also reduce environmental pollution and achieve energy conservation and emission reduction. At the same time， the emergence of new materials has brought advantages for the promotion of new energy vehicles. At present， new materials mainly include carbon fiber composite materials， aluminum alloy materials， and drive motor materials. They have their own advantages in performance and are gradually being used in the application of new energy vehicles. From the perspective of their development trends， new energy vehicles will gradually increase cooperation with the rare earth industry to obtain a superior position in materials.

Key words：new materials， new energy vehicles， application strategies

1 引言

當(dāng)前，汽車行業(yè)使得人們的出行更加方便快捷，但是也造成了嚴重的環(huán)境污染。在低碳環(huán)保理念的影響下，新能源汽車應(yīng)用而生。本文通過研究目前新能源汽車新材料的主要類型，對于其特點和性能進行了梳理，并且結(jié)合新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀和市場前景，深入分析其發(fā)展趨勢，從而明確其研發(fā)重點，最后從幾種新材料的特性闡述了其在新能源車中的應(yīng)用實踐，為新能源汽車的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

2 新能源汽車中的新材料

2.1 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維是指由碳元素構(gòu)成的無機纖維，屬于一種特性的化學(xué)纖維，有著豐富的碳含量。從其內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，主要有石墨微晶等元素，通過化學(xué)工藝在高溫環(huán)境下將瀝青基、粘膠基等有機纖維進行裂解碳化而形成的。[1]碳纖維復(fù)合材料則是將碳纖維和其他材料進行混合而得到的，包括樹脂、金屬、石墨烯等材料在內(nèi)。從材料特征上來說，由于含有較多的碳纖維，具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗沖刷等性能，而且其延展性較強，拉伸強度可以達到鋼材質(zhì)的七倍，同時本身的質(zhì)量較輕使得其在面對外部沖擊時有更強的抗擊力和承受力。正因為本身的優(yōu)勢屬性，碳纖維復(fù)合材料在新能源汽車中逐漸被廣泛應(yīng)用。

2.2 輕質(zhì)鋁合金材料

隨著汽車輕量化趨勢日益明顯，各種輕量化材料逐漸應(yīng)用于新能源汽車中。由于鋁合金材料在屬性功能上的突出優(yōu)勢，使其成為汽車輕量化的首選材料。鋁合金是在基本元素鋁中加入多種合金元素組成的，銅、硅、鎂等都是其中的元素之一。作為工業(yè)中用的最廣泛的一種金屬材料，它的密度低，但強度比較高，塑性好。[2]在汽車的應(yīng)用上，具有優(yōu)良的沖擊吸附力、減重效果好等優(yōu)勢。經(jīng)過測試鋁的抗沖擊性能遠超過鋼材質(zhì)，在汽車面臨碰撞危險時能夠起到良好的防護作用，而且汽車本身的體積容量不會受到影響，通過降低重心使得汽車的穩(wěn)定性更佳;由于鋁的熱量傳導(dǎo)性好，在其表面有一層氧化膜，可以有效防止腐蝕，使得汽車的保存更持久，并且汽車內(nèi)部的零部件也可以減輕重量，實現(xiàn)汽車輕量的雙倍效果。

2.3 驅(qū)動電機材料

由于新能源汽車的環(huán)保性、節(jié)約性、簡潔性等特點，其驅(qū)動源逐漸從燃油機驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱訖C驅(qū)動，減少了自動變速箱的使用。驅(qū)動電機具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)已經(jīng)逐步研發(fā)成熟、運行上相對順利等優(yōu)勢屬性，被稱為中國新能源汽車在汽車工業(yè)“彎道超車”希望領(lǐng)域之一。[3]從新能源汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來說，除了驅(qū)動電機還有電池系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)這兩部分，但是電機驅(qū)動是汽車性能是否良好的決定因素，它能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為機械能。驅(qū)動電機的主要特點有恒功率范圍廣，有助于提升汽車的變速性能;瞬時功率大、過載能力強;環(huán)境適應(yīng)性強，能夠在短時間內(nèi)迅速適應(yīng)惡劣環(huán)境。

3 新能源汽車與新材料融合的發(fā)展趨勢

3.1 重點發(fā)展輕量化的復(fù)合材料

輕量化材料作為新能源汽車材料中的關(guān)鍵材料，能夠有效提升汽車的整體性能，實現(xiàn)新能源汽車的技術(shù)突破。在新能源汽車的研發(fā)上，能量消耗是目前面臨的主要技術(shù)問題，通過車體重量降低、儲能容量擴大等方式可以有效降低能耗，但是目前新能源車主要使用電池材料，該材料的能量儲存性較低、儲存時間短，技術(shù)上的難題在短時間無法突破。為此，輕量化材料的誕生，使得新能源車可以通過降低自身重量來實現(xiàn)性能的提升。這一材料的應(yīng)用不僅能夠節(jié)能減排，而且對于汽車的穩(wěn)定安全性也十分有利，同時目前可以利用的輕量材料類型較多。所以，從新能源汽車發(fā)展趨勢來看，輕量化復(fù)合材料是重點研究對象。

3.2 與稀土行業(yè)建立戰(zhàn)略聯(lián)盟

隨著新能源汽車的興起，各個國家都開始加大對該領(lǐng)域的投入力度，并且技術(shù)研發(fā)成果也逐步增加，各國在這方面的競爭逐漸加劇?？傮w上看，我國的新能源汽車研發(fā)進程日益加快，和國外的技術(shù)差距也慢慢減小，同時稀土資源作為新能源汽車研發(fā)的關(guān)鍵要素，也成為國家之間爭奪技術(shù)優(yōu)先地位的戰(zhàn)略高地。稀土資源可以有效提升汽車的整體性能、降低生產(chǎn)成本，反之，新能源汽車對稀土資源的大量需求，能夠促使稀土行業(yè)的規(guī)模收益等實現(xiàn)進一步的提升，比如熒光級氧化銪、儲氫合金粉等相關(guān)的資源都會得到大力開發(fā)。[4]因此，在新能源汽車之間的技術(shù)競爭日益加劇背景下，我國汽車行業(yè)和稀土行業(yè)應(yīng)該加快合作腳步，建立聯(lián)盟關(guān)系。

3.3 發(fā)展電池驅(qū)動的交通工具

按驅(qū)動源來劃分，新能源汽車目前主要有電動汽車和混合動力汽車兩種。根據(jù)最近幾年的銷售數(shù)據(jù)顯示，雖然總體上新能源汽車的生產(chǎn)量和銷售量都普遍較低，但是電動汽車的銷量卻明顯高于混合動力汽車，尤其是自行車、摩托車這兩種類型的電動車銷量呈現(xiàn)上升趨勢。這一市場狀況產(chǎn)生的主要原因是電動車出行方便、成本低、環(huán)保性好，無形中迎合理論年輕人的消費需求。盡管目前相關(guān)的法律中限制電動車的使用，但是由于市場需求巨大，人們逐漸將其使用轉(zhuǎn)為“地下經(jīng)濟”。鑒于電動汽車良好的市場前景和巨大的消費人群，如果將電動車的推廣作為新能源汽車推廣的先行布局，先將市場打開再逐步向其他類型的汽車進行擴展，能夠促使新能源車的應(yīng)用腳步迅速加快，從而占據(jù)市場領(lǐng)先地位。

4 新材料在新能源汽車中的實際應(yīng)用

4.1 新能源汽車中的碳纖維材料應(yīng)用

首先，碳纖維材料可以應(yīng)用于汽車車身。汽車行業(yè)在傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式中，主要應(yīng)用重金屬材料來組裝車身，使得汽車本身的重量加大，整體看上去比較笨重。隨著碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車生產(chǎn)中，由于其密度小、重量輕等優(yōu)勢屬性可以使汽車的重量減少一半以上，而且碳纖維材料的可塑性強，可以通過汽車工藝的處理減少汽車內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)置，實現(xiàn)車身的一體化，不僅降低制作成本還有利于縮短制作時間、提高生產(chǎn)效率。其次，在汽車裝飾上，由于碳纖維材料有良好的能量吸收性，可以使汽車在面臨撞擊時有更強的耐力，減輕震動帶來的傷害，增強車體的安全性和穩(wěn)定性;同時耐腐蝕性好，使得汽車內(nèi)飾能夠有效避免各種外界物質(zhì)的侵襲造成老化，促進汽車內(nèi)部材料的完好保存。[5]

4.2 新能源汽車中的鋁合金材料應(yīng)用

第一，在汽車車輪上的應(yīng)用。運用鋁合金材料制作而成的車輪能夠減少車輪滾動造成的橫向或縱向摩擦，可以有效對抗外部的沖擊和腐蝕，而且制作成本低、循環(huán)利用率高。在輪胎自身溫度上，相比于普通的鋼材質(zhì)輪胎，鋁合金可以使溫度降低十幾度，使得輪胎的使用周期得到相應(yīng)延長，也保證了汽車長期駕駛過程中的安全性;同時還可以減輕掛件重量，促使剎車系統(tǒng)更加靈活輕便，減輕其負擔(dān)。第二，在熱交換器的應(yīng)用。依靠燃料系統(tǒng)支撐的新能源汽車承載熱量較大，汽車的熱能必須借助于高效的散熱器來進行釋放。鋁合金材料應(yīng)用于新能源汽車中，可以通過設(shè)置熱交換器實現(xiàn)水冷散熱，使得大功率的新能源汽車也可以實現(xiàn)熱量的及時散發(fā)。

4.3 新能源汽車中的驅(qū)動電機材料應(yīng)用

新能源汽車在驅(qū)動電機技術(shù)的研發(fā)上已經(jīng)取得了不錯的成績，目前國內(nèi)的整車需求已經(jīng)基本可以覆蓋，只有少部分的上游部件需要國外進口，像汽車的內(nèi)部控制零件等。這一成果的重大突破主要源自于我國的“863”重點科技攻關(guān)項目。目前的驅(qū)動電機中，主要包括直流電動機、交流異步電動機、永磁式電動機以及開關(guān)磁阻電機。其中永磁式電機的性能和驅(qū)動力相對較好，并且應(yīng)用性強。在該類型的電動機中永磁材料起著關(guān)鍵核心作用，但是永磁材料的價格較高，會使得汽車的整體制作成本增加。我國有著儲量豐富的稀土資源，通過研發(fā)其中的釹元素可以有效滿足新能源汽車的設(shè)計需求。從全球范圍來說，豐田、三菱、本田等知名的汽車品牌都投入大量資金物力人力來研發(fā)稀土永磁材料。[6]

5 結(jié)語

新能源汽車作為一個新興領(lǐng)域，其技術(shù)研發(fā)、實際應(yīng)用等都還處于初級階段，其中存在很多不足和困境。新材料的出現(xiàn)標(biāo)志著新能源車的制造有了較大的進展，如果能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于實際生產(chǎn)中，將會推動新能源汽車的研發(fā)實現(xiàn)突破性發(fā)展。為此，我國汽車行業(yè)要抓住機會，深入探索，促進新材料與新能源車的融合。

參考文獻：

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[3]劉偉德. 輕質(zhì)熱界面材料在新能源電動汽車中的應(yīng)用[A]. 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司、中國汽車工程學(xué)會、天津市西青區(qū)人民政府.“創(chuàng)新材料引領(lǐng)汽車發(fā)展新機遇”——2019中國車用材料（西青）國際論壇論壇資料[C].中國汽車技術(shù)研究中心有限公司、中國汽車工程學(xué)會、天津市西青區(qū)人民政府：中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，2019：16.

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[6]李龍，夏承東，宋友寶，周德敬.鋁合金在新能源汽車工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].輕合金加工技術(shù)，2017，45（09）：18-25+33.