天生我“材”，撐起汽車行業(yè)新未來

文 / 本刊記者 甄文媛 聞彥輔

當(dāng)前汽車材料發(fā)展?fàn)顩r如何？該怎樣實(shí)現(xiàn)突破？6 月29 日上午，“綠色發(fā)展—促進(jìn)汽車材料新飛躍”分論壇正式召開，國內(nèi)汽車材料領(lǐng)域?qū)＜液椭攸c(diǎn)企業(yè)代表共同探索未來方向。

作為基礎(chǔ)學(xué)科之一，材料學(xué)在國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和制造產(chǎn)業(yè)中都扮演著支柱角色。當(dāng)前汽車行業(yè)正在推進(jìn)電動(dòng)化和智能化轉(zhuǎn)型，汽車材料這根支柱的高度，也決定了轉(zhuǎn)型的成功度。

輕量化、綠色材料、循環(huán)利用，業(yè)已成為汽車新材料的主要發(fā)展方向，無論是降低整車能耗、提升電動(dòng)化比例，還是優(yōu)化汽車生產(chǎn)制造過程的環(huán)保性，新材料均起到?jīng)Q定性作用。當(dāng)汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入新四化的新賽道，在本質(zhì)上，也是材料等基礎(chǔ)學(xué)科進(jìn)入了新賽道。

當(dāng)前汽車材料發(fā)展?fàn)顩r如何？該怎樣實(shí)現(xiàn)突破？

本著解答這些“靈魂之問”的目的，6 月29日上午，在以“綠色發(fā)展—促進(jìn)汽車材料新飛躍”為主題的分論壇上，國內(nèi)汽車材料領(lǐng)域?qū)＜液痛硇云髽I(yè)同議共論，通過一場(chǎng)場(chǎng)生動(dòng)精彩的演說，錨定汽車材料發(fā)展現(xiàn)狀、探索未來方向。

新能源大廈的“地基”

早在亨利·福特掀起汽車產(chǎn)業(yè)第一次革命的時(shí)代，材料就成為推動(dòng)變革的重要推手。開創(chuàng)現(xiàn)代工業(yè)流水線之先河的T 型車，其得名來自于材料錫的英文TIN 首字母。而錫片材料制作的模具，讓亨利·福特能夠加工一體成型車身。

“汽車行業(yè)的每一處進(jìn)步，都離不開材料科技的支持，材料創(chuàng)新支撐了歷次汽車轉(zhuǎn)型升級(jí)和發(fā)展?！敝袊嚬I(yè)協(xié)會(huì)副秘書長(zhǎng)何毅在致辭時(shí)這樣指出。從錫制模具促進(jìn)流水線出現(xiàn)，到熱成型鋼強(qiáng)化汽車車身，再到動(dòng)力電池的鉛酸-鎳氫-鋰的演進(jìn)路線，新材料無疑是汽車產(chǎn)業(yè)攀登高峰的功臣。

時(shí)至今日，節(jié)能減排壓力當(dāng)頭，汽車行業(yè)將新能源作為最熱發(fā)展方向，新材料也在電動(dòng)化革命中具有不可取代的地位和意義，甚至比以往任何時(shí)期都更為重要。

電氣化程度越高，材料的直接碳排放貢獻(xiàn)越大，燃油車的材料直接碳排放占比為14.74%，混動(dòng)車為20.19%，而純電動(dòng)車高達(dá)37.97%，從東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心材料技術(shù)總工程師李明桓按照測(cè)算模型工具給出的數(shù)據(jù)看，新能源對(duì)材料的碳排放更為倚重，故而新材料在節(jié)能減排的大盤子里也愈受重視。

關(guān)于新材料在新能源領(lǐng)域具體的應(yīng)用，動(dòng)力電池是繞不開的熱門話題。至于動(dòng)力電池的技術(shù)路線，三元鋰以其相對(duì)較高的能量密度而廣受整車企業(yè)和供應(yīng)商的歡迎。但三元鋰電池如何提高性能、做好全周期生態(tài)、降低安全風(fēng)險(xiǎn)，也離不開新材料的貢獻(xiàn)。

僅以退役三元鋰電池的應(yīng)用為例，浙江新時(shí)代中能循環(huán)科技有限公司副總經(jīng)理/研究院院長(zhǎng)侯曉川給出了六大關(guān)鍵核心技術(shù)，幾乎每一條都與材料學(xué)的新進(jìn)展密切相關(guān)。例如第一項(xiàng)技術(shù)物理分離，修復(fù)再生，這需要精準(zhǔn)識(shí)別元素，研發(fā)元素補(bǔ)償與濃度均一調(diào)控技術(shù)與裝備，進(jìn)一步合成正極材料，轉(zhuǎn)化利用；選擇純化，重塑再生，則需要開發(fā)石墨元素的重構(gòu)與進(jìn)一步的結(jié)晶，或者是結(jié)晶重構(gòu)的技術(shù)。還有退役三元鋰電池的物理修復(fù)再次利用，要點(diǎn)在于銅或鋁的回收、高溫固向修復(fù)以及包覆層的修復(fù)技術(shù)。

在純電動(dòng)之外，氫燃料電池被視為另一種具有遠(yuǎn)大前景的技術(shù)路線，而它的肯綮也在于材料。眾所周知，氫燃料電池的瓶頸在于成本，成本核心在于催化劑的貴金屬，同時(shí)儲(chǔ)氫罐、運(yùn)輸設(shè)備也都對(duì)材料提出高要求。

作為化工材料學(xué)龍頭，巴斯夫在燃料電池相關(guān)的新材料領(lǐng)域推出了Ultramid/Ultramid Advanced、尼龍/高溫PPA 材料以及PU 發(fā)泡聚氨酯等材料品類，用于電堆系統(tǒng)BUP、高壓儲(chǔ)氫罐等方面。根據(jù)巴斯夫（中國）有限公司動(dòng)力市場(chǎng)部經(jīng)理王立松的介紹，諸如聚氨酯NVH 方案，用于高頻高壓電機(jī)的聲學(xué)降噪，基于尼龍9T 的新材料用于電堆，能夠在高達(dá)100 度范圍內(nèi)保持機(jī)械性能，促進(jìn)了氫燃料電池提升性能和推廣應(yīng)用。

輕量化如虎添翼

當(dāng)前同級(jí)別汽車產(chǎn)品的尺寸空間越做越大，車身和具體零部件的重量，卻在不斷輕量化。在這一領(lǐng)域，材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)堪稱決定進(jìn)步的“兩條腿”。

從高強(qiáng)度鋼到CFRP 碳纖維增強(qiáng)塑料，一系列新材料都對(duì)車輛減重降排貢獻(xiàn)良多，其中，鋁材被視為輕量化材料的明星。

根據(jù)中鋁材料應(yīng)用研究院輕量化工程中心業(yè)務(wù)主管吳永福博士提供的數(shù)據(jù)，截至2018 年，中國每輛燃油車的鋁材用量為120 千克，純電動(dòng)車則為128 千克。其預(yù)期未來3 年里，國內(nèi)新能源車每年的鋁材用量，將從10 萬噸增加到316 萬噸左右。

鋁材對(duì)車輛減重效果非常顯著，一輛整備質(zhì)量1.6 噸的美國家用車，普通鋼制白車身重量大約為475 千克，如果換成鋁合金車身，則只有285 千克，減重幅度高達(dá)190 千克（40%），而加上附加減重67 千克（35%），總計(jì)可以減重257 千克。這比高強(qiáng)度鋼的161 千克減重更明顯。

這樣大幅度的減重，對(duì)減少碳排放有怎樣的貢獻(xiàn)？

從德國能源與環(huán)境研究所數(shù)據(jù)看，家用車每減重100 千克，在使用周期內(nèi)的減排幅度可以達(dá)到1.5～2 噸（按行駛20 萬公里計(jì)算），而出租車甚至可以高達(dá)3.5 噸。盡管在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，鋁合金碳排放較高，但如果從整個(gè)汽車生命周期來核算，鋁制白車身可以減少5.7 噸碳排放，而高強(qiáng)度鋼也可以減少3.9 噸。按照歐盟碳排放每噸80～100歐元計(jì)算，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

武漢理工大學(xué)汽車輕量化技術(shù)中心副主任胡志力也給出了另一組數(shù)據(jù)：汽車重量降低10%，燃油效率提高6%～8%，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程增加5%～6%。為此，高性能鋁合金構(gòu)件技術(shù)需要不斷迭代更新。

據(jù)胡志力介紹，第一代鋁合金熱沖壓技術(shù)，由英國大學(xué)教授、武漢理工大學(xué)科學(xué)家林建國開發(fā)，在與其長(zhǎng)期合作過程中，武漢理工大學(xué)也掌握了第一代鋁合金熱沖壓技術(shù)，但這一代技術(shù)時(shí)效時(shí)間長(zhǎng)達(dá)24 小時(shí)，能耗高、生產(chǎn)效率太低，只能用于航天和超跑。為此武漢理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了第二代工藝，將工藝中的傳統(tǒng)軟態(tài)變成預(yù)硬化，可以由板材廠提供，甚至可以進(jìn)行冷成形和熱成形，從而將效能提高10 倍以上。

供應(yīng)商在輕量化技術(shù)方面的提升，直接有利于整車產(chǎn)品進(jìn)步。據(jù)李明桓講述，現(xiàn)在東風(fēng)汽車奕炫的整車輕量化系數(shù)達(dá)到2.1，無論是車輛運(yùn)動(dòng)性能還是排放的改善都顯而易見。

從制造源頭減排

以行業(yè)數(shù)據(jù)看，整車企業(yè)的制造環(huán)節(jié)對(duì)碳排放貢獻(xiàn)似乎不算高，四大/五大工藝碳排放占比未超過3%。但業(yè)內(nèi)的共識(shí)都是，制造環(huán)節(jié)的節(jié)能減排勢(shì)在必行。因?yàn)樘寂欧艔膩矶际窃诟鱾€(gè)領(lǐng)域集腋成裘，從2025 年到2030 年，萬元GDP 碳排放有下降65%的剛性指標(biāo)。

制造減排離不開先進(jìn)工藝和尖端設(shè)備，而這兩大要素也關(guān)聯(lián)著材料科技。

上文提到的鋁合金用于車輛，除了材料本身，還需要與先進(jìn)加工手段結(jié)合。圍繞鋁合金一體壓鑄技術(shù)進(jìn)展，廣州廣型模具有限公司技術(shù)總監(jiān)梁振進(jìn)表示，利用一體壓鑄之后，整個(gè)制程得到大幅度簡(jiǎn)化。

傳統(tǒng)的焊接車身由諸多零部件構(gòu)成，在強(qiáng)度韌性方面，一般的沖壓設(shè)計(jì)需要多個(gè)零部件進(jìn)行拼接、相互加強(qiáng)，很難通過單一板材實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度。而一體化壓鑄由于零部件融為一體，可以在保證強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)，進(jìn)而降低整車生產(chǎn)后續(xù)工序的復(fù)雜性。

為什么說，新材料需要結(jié)合新生產(chǎn)工藝會(huì)1+1＞2？因?yàn)閮烧咧g的協(xié)同效應(yīng)已經(jīng)發(fā)生“化學(xué)反應(yīng)”。例如鋁合金的應(yīng)用瓶頸之一在于成本，一體化壓鑄恰恰能夠提升材料利用率。在高壓鑄造工藝?yán)?，余料主要是渣包和料頭，可以進(jìn)行回爐使用。高壓鑄造工藝還擴(kuò)大了原料來源，可以大量地消耗二次鋁，而不需要經(jīng)常使用原生鋁。

故而，特斯拉堅(jiān)定使用一體化沖壓鑄造技術(shù)，也就不難理解。從實(shí)際效果看，在利用高壓鑄造工藝之后，整體上由于整車的連接數(shù)量大幅度減少，減少了很多涂裝、焊裝等過程，有利于縮小生產(chǎn)線占地面積。梁振進(jìn)拿特斯拉美國千兆工廠作為例子，指出工廠的占地面積是明顯少于傳統(tǒng)車企的生產(chǎn)占地面積。

更為量化的效果在于先進(jìn)材料+先進(jìn)工藝帶來的減重貢獻(xiàn)。據(jù)悉，鋁合金采用一體化鑄造工藝之后，僅后艙零部件就可以減重55～63 千克。再考慮到影響了整車設(shè)計(jì)優(yōu)化和連接器件減重，整車的重量下降幅度會(huì)非常可觀。

對(duì)此，發(fā)言的整車企業(yè)嘉賓也印證了新工藝結(jié)合新材料的受歡迎程度，表示國內(nèi)新建的諸多整車工廠，先進(jìn)性甚至超過歐洲和日本整車工廠，在制造環(huán)節(jié)確保中國汽車不會(huì)落后。

全維度全周期進(jìn)步的方法論

新材料如果要真正發(fā)揮出最大的作用，需要拓展應(yīng)用范圍和思路，包括從開發(fā)設(shè)計(jì)到回收的全周期，以及從研究到標(biāo)準(zhǔn)、方法論的全維度。

在三元鋰電池的應(yīng)用中，廢舊電池材料的回收格外關(guān)鍵，組成主要有正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液和外殼等。侯曉川指出，如果對(duì)三元鋰電處置不當(dāng)，里面的重金屬或有機(jī)質(zhì)會(huì)污染水源、污染大氣、污染土壤，從而導(dǎo)致人類的生存環(huán)境遭受嚴(yán)重的破壞；但如果采用合理科學(xué)的開發(fā)工藝，將里面的金屬和非金屬進(jìn)行回收利用，不僅可以回收里面的金屬，還可以高效利用里面的非金屬，從而在根本上消除三元鋰電池中的有機(jī)質(zhì)及其重金屬對(duì)環(huán)境的破壞。

隨著新能源汽車的推廣，退役三元鋰電池的數(shù)量將愈加龐大。一般三元鋰電池使用壽命是3～5 年，2019 年已步入大規(guī)模的退役階段，預(yù)計(jì)2025 年將達(dá)到125GWh。據(jù)介紹，這些廢舊電池里包含大量的有價(jià)元素，尤其是鋰的價(jià)格，從去年的5 萬一噸漲到今年50 萬一噸；此外，還有高含量的電解液、黏結(jié)劑。

不過，雖然看起來廢舊電池是“百寶箱”，但也正由于組成復(fù)雜，回收難度增大，重金屬和有機(jī)物也存在造成嚴(yán)重污染的風(fēng)險(xiǎn)，這就給企業(yè)的思路和技術(shù)工藝帶來了考驗(yàn)。

李明桓也強(qiáng)調(diào)了擴(kuò)大和調(diào)整新材料應(yīng)用范圍的必要性。汽車產(chǎn)品在轉(zhuǎn)型，汽車材料本身是關(guān)鍵，是核心技術(shù)的載體，因而未來材料除了應(yīng)用在傳統(tǒng)的車身底盤以外，應(yīng)該更多地集中在電機(jī)、電控、電池以及其他的特種功能部件，是整車企業(yè)的工作重點(diǎn)和供應(yīng)商發(fā)力的重要方向。

技術(shù)研發(fā)和工藝提升固然重要，但配套的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系以及落實(shí)舉措的方法論需要放在幾乎同等的位置。

包括新材料和先進(jìn)工藝在內(nèi)，任何創(chuàng)新作用于節(jié)能減排，都需要有適應(yīng)大環(huán)境的方法論和標(biāo)準(zhǔn)體系。中國電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會(huì)全生命周期綠色管理專委會(huì)（LCA 專委會(huì))主任委員王洪濤在演講里指出，減碳需要注重標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建。

商務(wù)部2021 年出臺(tái)了對(duì)外貿(mào)易高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃，提出促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，認(rèn)證標(biāo)識(shí)體系，要國際互認(rèn)，探索建立外貿(mào)產(chǎn)品全生命周期碳足跡追蹤系統(tǒng)。王洪濤解釋稱，該體系包含四個(gè)部分：核算標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫、軟件工具以及第三方審核，全面對(duì)標(biāo)歐盟。

正如何毅所指出的，材料是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)和肩膀，也是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的支柱產(chǎn)業(yè)。綠色材料是實(shí)現(xiàn)碳中和的根本途徑，材料的蓬勃發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)碳中和的前提，循環(huán)利用是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵內(nèi)涵，也是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要一環(huán)。

新材料的發(fā)展，覆蓋了從材料科學(xué)、先進(jìn)工藝到配套體系標(biāo)準(zhǔn)等廣闊領(lǐng)域，個(gè)中嚴(yán)峻挑戰(zhàn)也是不言而喻。汽車材料創(chuàng)新，是這一輪汽車新賽道的一個(gè)起跑點(diǎn)，也必將成為中國汽車崛起的新發(fā)力點(diǎn)。