基于新材料新技術(shù)的新能源汽車低碳設(shè)計探析

李嬌杰 袁新林

摘要：為了推動綠色低碳的發(fā)展，在汽車制造過程中運用低耗環(huán)保的新材料與新技術(shù)尤為重要。免噴涂塑料、聚雙環(huán)戊二烯工程塑料與共聚酯材料具備綠色、環(huán)保和可回收等性能，4D打印技術(shù)、一體化壓鑄技術(shù)與輥沖復(fù)合成形技術(shù)具備低能耗、低碳和高效率等優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)材料而言，可以更好地滿足我國對于環(huán)境保護性、資源節(jié)約型社會建設(shè)的需求。詳細(xì)闡述了免噴涂塑料、聚雙環(huán)戊二烯工程塑料與共聚酯材料的性能、應(yīng)用和影響，分析了4D打印技術(shù)、一體化壓鑄技術(shù)與輥沖復(fù)合成形技術(shù)的性能、應(yīng)用和影響，得出新材料與新技術(shù)可以推動新能源汽車工業(yè)向更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展，提供低碳設(shè)計的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；新材料；新技術(shù)；低碳設(shè)計

中圖分類號：U469.7? 收稿日期：2023-10-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406027

1 前言

我國政府提出要大力發(fā)展綠色低碳產(chǎn)業(yè)，新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為發(fā)展重點之一，解決了使用過程中的動力的低碳問題，主要是石化能源更換為來自太陽能、風(fēng)能和水能等其他形式能量轉(zhuǎn)換的電能，但是新能源汽車還需要在生產(chǎn)過程中進行更深一步的低碳化變革，才能真正助力碳達峰、碳中和戰(zhàn)略。因此排除動力系統(tǒng)的應(yīng)用，汽車生產(chǎn)制造過程中的新材料和新技術(shù)工藝的應(yīng)用可使汽車低能耗、低碳方面更為完整。

本文分析了免噴涂塑料、聚雙環(huán)戊二烯工程塑料、共聚酯材料，以及4D打印技術(shù)、一體化壓鑄技術(shù)與輥沖復(fù)合成形技術(shù)在新能源汽車低碳設(shè)計中的應(yīng)用和取得的綠色、環(huán)保、低能耗、低碳和高效率等效果，旨在向讀者介紹不同于傳統(tǒng)的材料與汽車制造技術(shù)在低碳設(shè)計中的應(yīng)用，并展望新能源汽車行業(yè)的未來。

2 新材料在新能源汽車低碳設(shè)計中的應(yīng)用

隨著新能源汽車制造業(yè)步入成熟發(fā)展階段，零部件及其材料逐漸向輕量化和節(jié)能化發(fā)展，最終達到節(jié)能減排與降低生產(chǎn)成本的效果，其中，免噴涂塑料、聚雙環(huán)戊二烯工程塑料與共聚酯材料這三種新型材料可以做到低碳設(shè)計。

21 免噴涂塑料

免噴涂塑料是指不再需要使用傳統(tǒng)的噴涂技術(shù)，能夠直接注射模型成形就可以制作出多彩外觀效果的材料，并且擁有超高光澤、耐化學(xué)溶劑、綠色環(huán)保和降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢?；摹⒂猩伭虾椭鷦┻@三個部分組成了免噴涂材料。目前免噴涂塑料基材有PA、PP、PC、HIPS、PC＼ABS、ASA、 ABS、PMMA、ABS＼PMMA、PBT和POM等[1]，有色顏料有銅粉、珠光粉、陶瓷粉、熒光粉和高光色粉等。免噴涂材料多應(yīng)用于家電、汽車和3C等領(lǐng)域[2]。

在新能源汽車制造領(lǐng)域中，內(nèi)飾和外飾件越來越多地采用免噴涂塑料，其中內(nèi)飾和外飾件有汽車導(dǎo)航儀面板、汽車門把手、后視鏡殼體、立柱外護板和防擦條等[3]。如鈴木汽車的彩色導(dǎo)航面板使用了免噴涂樹脂，不僅具有鮮亮的顏色，同時有著高端質(zhì)感。在2021深圳橡塑展上，免噴涂的優(yōu)勢得到充分展現(xiàn)，其中，免噴涂PC+ABS用于汽車車門把手制造，免噴涂ABS+CNT用于汽車后視鏡。免噴涂塑料由于有著較低揮發(fā)性有機化合物含量而且釋放的氣味比較小，在節(jié)約生產(chǎn)成本以及綠色環(huán)保的同時，符合汽車制造工業(yè)的發(fā)展趨勢[4]。在環(huán)境保護方面，免噴涂塑料有著壓倒性的優(yōu)勢，對環(huán)境非常有利，而且在健康管理方面也有著極大的益處，避免了噴漆帶給人體危害。

免噴涂塑料極大地滿足了新能源汽車制造領(lǐng)域的需求。它符合新能源汽車發(fā)展趨勢，滿足輕量化、便捷化、成品率高、低成本、低污染和可循環(huán)使用等要求。

22 聚雙環(huán)戊二烯工程塑料

聚雙環(huán)戊二烯（PDCPD）是一種環(huán)境友好型工程材料，是由雙環(huán)戊二烯（DCPD）經(jīng)有機金屬催化聚合而形成的具有交聯(lián)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物[5]。這種新型工程材料不僅具有優(yōu)異的耐酸堿性、耐水性、耐候性、電絕緣性、表面涂覆性以及卓越的力學(xué)性能等特性，而且其制品可以回收利用。聚雙環(huán)戊二烯材料還在體育器材、工程機械、汽車及化工防腐等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。

聚雙環(huán)戊二烯可以代替玻璃鋼和鋁合金等材料應(yīng)用到新能源汽車的殼體以及其他部件中，還可以進行回收利用，達到節(jié)約資源、降低排放、適應(yīng)時代的目的。聚雙環(huán)戊二烯可制部件有輪眉、保險杠、護板、側(cè)板、底保護殼、導(dǎo)流罩和翼子板等。例如派邁新材料有限責(zé)任公司使用聚雙環(huán)戊二烯生產(chǎn)出輪眉及車身殼體等部件。相比于玻璃鋼及金屬等材質(zhì)，使用這種工程塑料的新能源汽車能夠使車身輕量化，組裝更加輕松，生產(chǎn)周期短，其中使汽車達到輕量化的效果不僅能夠節(jié)能減排，還能提高汽車動力效能。在回收利用方面，當(dāng)應(yīng)用聚雙環(huán)戊二材料制成的汽車部件變成廢料后，通過加工粉碎造粒，作為熱塑性塑料如PP、PE的填料循環(huán)利用。

因國家環(huán)保政策的支持、人們環(huán)保意識的提升以及生產(chǎn)管理制度的完善，聚雙環(huán)戊二烯在新能源汽車行業(yè)得到了發(fā)展的契機。聚雙環(huán)戊二烯的原料一旦實現(xiàn)國產(chǎn)化，使原料成本降低，這個新型材料將會出現(xiàn)于更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

23 共聚酯材料

共聚酯材料是由苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）和1，4-環(huán)己烷二甲醇（CHDM）這三種單體進行縮聚形成的透明塑料復(fù)合材質(zhì)，又稱為SKYTRA[6]。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，共聚酯材料具有較高的透明度、較好的韌性以及較強的抗腐蝕性等性能。因共聚酯材料添加了從玉米中提取的生物原料，擁有明顯的生物塑料特性，成為一種綠色、低碳、環(huán)保的新型透明工程塑料。

共聚酯材料不僅在新能源汽車內(nèi)飾面料設(shè)計中具備很好的應(yīng)用潛力，而且其綠色、低碳以及環(huán)保等特性與新能源汽車的發(fā)展趨勢十分匹配。共聚酯這種新型復(fù)合材料具有較高的實用性，“2018平昌冬季奧運會和冬季殘奧會”上使用的官方氫燃料車的生產(chǎn)采用了這種綠色環(huán)保型工程塑料。研發(fā)部門對共聚酯用途進行開發(fā)，試圖在多種車型和汽車零部件上使用共聚酯復(fù)合材料。共聚酯這一材料的運用可以有效地把汽車內(nèi)飾材料轉(zhuǎn)變成無害、綠色、低碳、環(huán)保的材料，與環(huán)保、美觀、實用等優(yōu)勢完美融合。

共聚酯材料可應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，其中包括醫(yī)療、包裝以及玩具等，但其應(yīng)用價值在新能源汽車行業(yè)上顯得尤為明顯。在新能源汽車制造過程中，共聚酯這種材質(zhì)不僅具備綠色、環(huán)保及節(jié)能等特性，而且它與社會低碳發(fā)展需求高度一致，實現(xiàn)綠色設(shè)計、環(huán)保設(shè)計。

3 新技術(shù)在新能源汽車低碳設(shè)計中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)汽車制造的基礎(chǔ)之上，新能源汽車仍有很多全新的工藝技術(shù)亟待開發(fā)。為了推動綠色低碳的發(fā)展，汽車中加工制造技術(shù)以輕量化與智能化為發(fā)展方向，其中4D打印技術(shù)、一體化壓鑄技術(shù)與輥沖復(fù)合成形技術(shù)這三種新技術(shù)具備有效降低油耗、減少排放和降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢。

31 4D打印技術(shù)

4D打印技術(shù)是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上進行升級，具體是對材料、技術(shù)以及應(yīng)用等方面進行升級。4D打印技術(shù)擁有生產(chǎn)成本低、可以成形的智能構(gòu)件和設(shè)計自由度高等優(yōu)點。該技術(shù)是指在特意設(shè)定的刺激下，三維物體通過運用3D打印技術(shù)和“可編程物質(zhì)”實現(xiàn)自我變換物理屬性的能力[7]。其中，通過編程方式，更改屬性的物質(zhì)就是“可編程物質(zhì)”，其屬性涵蓋了外形、顏色、彈性、密度和電磁特性等。

在汽車制造領(lǐng)域，4D打印技術(shù)能夠生產(chǎn)可變換外形的汽車零部件，滿足對產(chǎn)品的組合部件性能、外在形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等需求；同時，4D打印技術(shù)可以很好地解決目前資源消耗量大、空間日益減少和碳排放高等問題。首次在汽車領(lǐng)域運用4D打印技術(shù)這一成果是由寶馬公司實現(xiàn)的，該公司通過使用4D打印技術(shù)制造出一種覆蓋在車輪上的柔性板，這種柔性覆蓋板讓車輪能夠根據(jù)環(huán)境調(diào)整形狀，達到減少風(fēng)阻和降低能耗的效果，做到充分發(fā)揮優(yōu)異的空氣動力學(xué)性能。寶馬在百年慶典活動中還發(fā)布車身材料使用4D打印技術(shù)制造的全新概念車“BMW VISION NEXT 100”。在環(huán)境保護方面，等材制造和減材制造不僅消耗大量能源資源，還會產(chǎn)生巨大的碳排放，而4D打印作為增材制造，改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式，縮減了開發(fā)周期與生產(chǎn)成本，并且有效減少碳排放量，推動綠色生產(chǎn)助力可持續(xù)發(fā)展的未來。

雖然4D打印技術(shù)的發(fā)展時間比較短暫，但是4D打印技術(shù)一問世就得到了各行各業(yè)的高度關(guān)注，與此同時研究人員在4D打印技術(shù)的設(shè)施創(chuàng)新、材料應(yīng)用上的拓展、軟件上的應(yīng)用和設(shè)計工具的研發(fā)等方面展開一系列研究。

32 一體化壓鑄技術(shù)

一體化壓鑄技術(shù)是一種新型汽車零部件制造技術(shù)，它利用大型壓鑄機將多個獨立、分散零件的復(fù)雜構(gòu)件進行高度集成，實現(xiàn)一次壓鑄成型，這一技術(shù)最早由特斯拉提出的“一體壓鑄”概念得到了實現(xiàn)。一體化壓鑄技術(shù)的運用能大幅降低零件數(shù)量，節(jié)省部件焊接工藝，達到降低車身重量、降低生產(chǎn)成本和節(jié)能減排的效果。

一體化壓鑄技術(shù)主要運用在汽車制造領(lǐng)域，是未來汽車車身制造技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。2019年，特斯拉正式提出“一體壓鑄”概念，并于2020年率先完成在車身制造上應(yīng)用這一技術(shù)，其中，通過采用一體化壓鑄的方式，Model Y車型的后底板總成系統(tǒng)成功實現(xiàn)快速鑄型，并在后底板上增加前縱梁的一體化壓鑄，將前后底板的零部件數(shù)量從171個減少至2個，焊點數(shù)量減少了1 600多個。2022年，第三代4680電芯采用一體化壓鑄的三合一底盤電池包，實現(xiàn)了10%的減重，減少了300余個零部件[8]。相比傳統(tǒng)方式，車身系統(tǒng)節(jié)省重量超10%。另外，得益于一體化壓鑄技術(shù)，使得車輛續(xù)航增加14%，成本降低40%。如此可見，這一技術(shù)逐漸推動汽車制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，其應(yīng)用前景廣闊。

一體化壓鑄技術(shù)正逐漸改變汽車制造行業(yè)的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，成為未來汽車制造的重要發(fā)展方向，這種新型制造技術(shù)將為汽車制造業(yè)帶來革命性的變革。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，一體化壓鑄技術(shù)將在未來的汽車制造行業(yè)中發(fā)揮出重要的作用，推動汽車制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

33 輥沖復(fù)合成形技術(shù)

輥沖復(fù)合成形（鏈模成形）是一種新型新能源汽車輕量化的金屬成形技術(shù)，于2020年由孫勇博士研究團隊提出。該技術(shù)兼具了輥壓和沖壓的相關(guān)工藝成形優(yōu)勢，擁有節(jié)約能源、降低成本和提高效率等優(yōu)勢，特別有效地解決了我國鋁合金新能源汽車零部件難成形的問題。目前，在新能源汽車、建筑、電子以及軌道交通等行業(yè)中，輥沖復(fù)合成形技術(shù)是輕量化、變截面零部件的最有前景的成形技術(shù)之一[9]。

輥沖復(fù)合成形技術(shù)已經(jīng)從研發(fā)階段邁向了產(chǎn)業(yè)化制造階段，并被列入了我國“十四五”規(guī)劃中重點發(fā)展的新能源汽車輕量化精密成形技術(shù)之一。很多大型鋼鐵企業(yè)已經(jīng)成功使用輥沖復(fù)合成形技術(shù)制造出具有某些特定的超高強鋼變截面新能源汽車精密零部件樣品，并且初步探索出變截面成形過程的特點[9]。成型后的零部件避免了傳統(tǒng)沖壓工藝和輥壓成形工藝成形零件的常見問題，如無法成形變截面，沖壓成形的載荷大，模具磨損嚴(yán)重，材料易開裂等。輥沖復(fù)合成形技術(shù)的提出不僅很好地解決了我國新能源汽車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件精密成形制造領(lǐng)域發(fā)展的相關(guān)“卡脖子”問題，而且符合新能源汽車產(chǎn)業(yè)綠色低碳的發(fā)展趨勢。

與傳統(tǒng)制造工藝相比，這項技術(shù)兼具輥壓工藝和沖壓工藝優(yōu)勢，并且可以有效解決當(dāng)前我國鋁合金新能源汽車零部件難成形的問題。預(yù)計在未來發(fā)展中，輥沖復(fù)合成形技術(shù)在新材料的應(yīng)用、工廠的自動化生產(chǎn)和環(huán)境保護等方面有很大的潛力和市場。

4 結(jié)語

由于新材料與新技術(shù)具有良好的使用性能，而且成本更低，具備環(huán)保性，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的輕量化設(shè)計與低碳設(shè)計，滿足汽車行業(yè)的發(fā)展需要。在新能源汽車制造方面，汽車企業(yè)需要轉(zhuǎn)變理念，積極探索汽車節(jié)能減排新材料、新技術(shù)，引入與采用新興材料與技術(shù)，以達到汽車低能耗和低碳方面更為完整，努力形成整個新能源汽車生態(tài)周期的低能耗、低碳。本文從新型環(huán)保低碳材料與新型環(huán)保制造技術(shù)對其應(yīng)用進行研究，以期促進我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速、健康和持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

[1]孟征，孫兆懿，賀芳，等高光免噴涂ABS/PMMA合金研究進展[J]工程塑料應(yīng)用，2016，44（2）：134-139

[2]環(huán)保材料中的“顏值帝”——免噴涂材料[J]環(huán)球聚氨酯，2018（2）：78-79

[3]張友根基于新常態(tài)戰(zhàn)略的汽車塑料工程綠塑創(chuàng)新驅(qū)動的分析研究［J］機械技術(shù)與裝備，2015（42）：20－49

[4]劉倩倩免噴涂汽車側(cè)踏板端頭的研究應(yīng)用［J］汽車零部件，2018（8）：64-65

[5]馬正偉商用車外觀覆蓋件PDCPD材料的應(yīng)用探究[J]山東化工，2023，52（12）：69-71

[6]景旋，王余偉，夏峰偉，等PETG共聚酯的合成及性能研究[J]合成技術(shù)及應(yīng)用，2023，38（2）：39-43

[7]盧海洲，羅炫，陳濤，等4D打印技術(shù)的研究進展[J]航空材料學(xué)報，2019，39（2）：1-9

[8]喬俠，楊磊，劉雙勇一體化壓鑄技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究[J]汽車工藝師，2023（8）：30-33+52

[9]孫勇，吳本釗，張東星，等輥沖復(fù)合成形研究現(xiàn)狀[J]塑性工程學(xué)報，2022，29（11）：67-84

作者簡介：

李嬌杰，女，1997年生，碩士研究生，研究方向為工業(yè)設(shè)計。

袁新林（通訊作者），男，1971年生，教授，研究方向為工業(yè)設(shè)計。