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車用材料現狀及發展新趨勢

嘉峪檢測網        2019-08-28 15:04

科技發展日新月異,產業結構不斷升級,人們日益增長的物質文化需求使得汽車成為人們出行必要的交通工具。為了適應關于節能減排的相關政策法規,以及社會對環保標準的不斷提升,汽車制造業面臨著許多新的機遇和挑戰,同時對車用材料也提出了更高的要求。

 

一、車用材料發展現狀及趨勢

 

輕量、節能以及環保已經成為車用材料發展的主流趨勢。在現代科技的驅動下,與汽車有關的方方面面都可以通過輕量材料的替換實現減重,并能保持其原有優勢。有相關研究顯示,整體油耗的約75%是與整車質量有關,汽車質量每下降10%、油耗下降8%、排放下降4%。可見,通過降低整車質量即可有效地降低汽車油耗、減少排放、實現節能和環保。

 

材料是現代科學技術和高新產業的物質基礎,車用材料產業是汽車工業存續和發展的有力保障。常規的家庭轎車基本材料組成如下:鋼為54%、鑄鐵為10%、塑料為8%鋁合金為8%、鎂合金為1%、橡膠玻璃為7%、其他為12%。從家庭轎車基本材料組成可見,占據主導地位的仍然是鋼鐵類型的材料,作為轎車的基本組成材料,其為轎車材料組成的核心,作用無法輕易取代。排在后面的依次是鋁合金、塑料類材料、鎂合金。在車用材料的大家族中,上述4類車用材料也構成了車用輕量化材料的基本核心。

 

鋼鐵類的材料既能滿足汽車輕量化的需求,又能夠賦予汽車足夠的安全性能,是構成汽車材料組成的基礎性材料;鋁合金的出現滿足了汽車特殊性能提高的需求;塑料類材料是汽車內飾以及外部部分構成的重要組成;鎂合金作為相對年輕化的車用材料對汽車性能的提升也有很大的作用。對車用材料的合理規劃和使用,既能夠保障汽車的安全性能,又能夠提升汽車品質,滿足輕量、節能和環保的需求。特別是近年來,新能源汽車的市場占有率不斷提高,對車用材料領域的發展也提出了更高的要求。眾所周知,新能源汽車的動力電池系統負重較重,所以新能源汽車更應該實現輕量化的要求,減少自重、增加續航里程。新能源汽車的出現,加速了車用材料產業的迅猛發展,加快了車用材料成型工藝的研發進程,從整體上推動了車用材料產業的發展。

 

二、金屬類車用材料的新發展

 

1.高強度鋼

鋼材料與鋁合金鎂合金等輕質材料相比,最顯著的缺點就是鋼密度較大,但是鋼材料有著其他金屬材料不可比擬的優點。首先是安全性高,有研究表明,車身中高強鋼用量越多,越能夠保護乘員的安全,在試驗車型的正面碰撞實驗中,采取了高強度鋼后,可有效降低甚至免除駕駛室的損傷;其次是經濟性高,汽車用鋼材料的原材料成本要遠低于鋁鎂合金以及碳纖維材料,而且其加工成本相比鎂鋁合金等材料更是經濟;第三是易維修,與其他材料相比,鋼的塑性和韌性較好,在汽車發生碰撞、擦劃傷等損傷后,多可通過鈑金工藝進行修復,極大地降低了維修成本。由于普通家用汽車整體材料用量上,鋼材料占比超過一半,作為汽車車身的主要材料構成,高強度鋼的合理利用顯得尤為重要。對鋼材料的選用需要基于以下2點:一是保證車身的強度,即:耐沖擊和安全性;二是在第1點的前提下進量減輕鋼材料的質量,節約油耗。

 

高強度鋼作為現在主流的車用鋼材料,其強度比普通鋼板更高,同時,相比價格昂貴的鎂鋁合金,其制備成本偏低,深受生產廠商的喜愛。目前,高強度鋼除了在車身內外板及特殊結構件上有應用,還在汽車底盤上進行使用,其強度滿足了底盤的碰撞需求。按照屈服強度進行分類,高強度鋼可以分為高強度、超高強度鋼以及特高強度鋼板3類;按照成分及生產工藝進行分類,高強度鋼可以分為雙相鋼、相變誘導塑性鋼、復相鋼和馬氏體鋼。

 

汽車中使用的高強度鋼材料,能夠使得車體整車更加堅固。這種高強度鋼材料成本較高,相對于常規的金屬、合金材料,高強度鋼材料的制備過程需要對大量的鐵進行反復提純,并且對純度的苛刻要求導致提純工藝復雜,技術難度高,所以高強度鋼材料造價較高,主要應用于大品牌SUV汽車中。相比國內,歐洲的汽車市場中高強度鋼材料的應用更為普遍。如雙相鋼已經成熟地應用在A/B/C柱加強件、車頂橫縱梁、窗框、前后部頂梁、座椅導軌/骨架、保險杠加強件、車門防撞梁等車體位置中,同時錳(Mn)-硼(B)系等熱成形鋼也已經廣泛地應用于家用汽車。日本高強度鋼的冷成形技術比較成熟,其生產的一般加工用鋼、高伸展凸緣成形性用鋼、低屈強比雙相鋼、馬氏體鋼等高強度鋼在世界上處于領先水平。汽車工業強國美國擁有眾多世界知名的鋼鐵和汽車企業,美國科學家于2007年首先開發出了第3代汽車用鋼,這種鋼經過粉末冶金與熱軋冷軋技術,能夠得到3個強度級別的高強高塑汽車鋼。我國在第3代汽車鋼的研制上,開發出了中錳鋼的冷熱卷技術,這在世界范圍內屬于領先的技術,同時也實現了鍍鋅板的批量生產。利用第3代汽車鋼中錳鋼的溫成形技術,能夠降低鋼的生產成本,既經濟又節約,可以應用于汽車的防撞梁等結構中。寶鋼集團有限公司生產的高強度鋼材料已經在一汽-大眾汽車有限公司、日產汽車公司的家用汽車中進行使用。

 

2.鋁合金

鋁合金具有密度低,比強度、比剛度高等一系列優點,是汽車輕量化的理想材料。研究顯示[3],21世紀以來,鋁合金材料在汽車材料上取得了卓有成效的發展。但與鋼材料相比,汽車產業用鋁合金材料的成形工藝尚不成熟,生產成本較高,目前只有在少數國外運動和豪華車型上得到應用。日本本田技研工業股份有限公司和德國大眾汽車公司都曾經小批量生產過全鋁框架車身結構的豪華汽車[4-5]。相比高強度鋼材料,鋁合金減重率更加明顯,典型的鋁合金零件一次減重效果可達30%~40%,二次減重,即車身質量減輕后,對制動系統與懸架等零部件進一步進行減重,可達到50%,綜合比較,相比傳統鋼鐵材料,鋁合金可進一步減重40%以上。并且鋁合金的比強度、成型性、導熱性、耐腐蝕性以及耐磨性都更佳,鋁合金的密度小至僅為鋼材料的1/3,具有良好的減振性、可焊性以及易回收性,性價比較高。經過多年的發展,應用于汽車車身的鋁合金制備及成型技術在已趨于成熟,生產成本可控性強,鋁合金材料成為了車身輕量化的優選材料。

 

在汽車材料上,鋁合金材料主要包括鋁合金鑄件、鋁合金鍛件、鋁合金擠壓件以及鋁合金板材。鋁合金鑄件進一步包括砂型鑄造、消失模鑄造、半固態鑄造、擠壓鑄造以及永久模鑄造等。為了更大規模地在汽車車身中進行應用,鋁合金材料的發展需要進一步提高材料強度,降低生產、制備以及維修成本。

 

常用的鋁合金鑄件為A356,常用的鋁合金鍛件為6061,其均具有很好的屈服強度、抗拉強度和延伸率;常見的半固態鑄造方式制備得到的車用鋁合金材料包括A356、2618、 7075、ZL201、6061、6063、ZL116等;鋁合金擠壓件工藝簡單,合金的截面形狀具有很強的設計性,通過科學合理的截面設計,可以得到具有很高的沖擊、吸能特性的鋁合金材料;變形鋁合金板材主要應用于發動機罩、前翼子板、頂蓋、車門、行李箱蓋、動力電池殼體、車廂底板結構件等。可見,現有技術下,鋁合金材料種類多、應用廣,具有較好的車用材料前景。值得一提的是日本的車用鋁合金材料技術,在高端車的車身、車輪、底盤、懸架系統中的控制臂等結構中均有應用。早在2009年,日產汽車公司就已經推出了“聆風”純電動汽車,并在車身中大量使用了鋁合金材料,相比高強度鋼材料車身,減重可達40%。我國的鋁合金材料的研發工藝也取得了階段性成果,利用鋁合金汽車板軋制技術制備的車用零件已經成功試生產。

 

3.鎂合金

相比傳統合金材料,鎂是質量相對較輕的金屬,其比重為1.74g/cm3,僅為鋼的1/4,并且鎂合金減震性好、鑄造流動性好,在同等質量下,鎂合金的強度、比強度和比剛度都較高,因此被越來越多的應用在汽車產業中。

 

在汽車輕量化發展過程中,鎂合金表現出了很好的特性。鎂的散熱性能也較為優異,因此一直被業界看好,被看作未來發展潛力極好的車用金屬材料。按照制備工藝的不同,鎂合金大體分為變形鎂合金和鑄造鎂合金,其中鑄造鎂合金相比變形鎂合金其制備方法簡單,制備成本低廉,在車用材料領用應用更為廣泛。

 

目前鎂合金材料領用需要解決的難題為如何提高鎂合金的韌性、耐高溫性以及耐腐蝕性,鎂合金在美國和歐洲汽車材料領用應用較廣。在歐洲,已經投入使用以及正在產品研發階段的鎂合金車用產品已60余種,單車鎂合金用量為9.3~20.3kg;在美國,已經投入使用以及正在產品研發階段的鎂合金車用產品已100余種,單車鎂合金用量為5.8~26.3kg。現今,車用材料的發展方向主要表現為輕量化、燃燒性能的改善、節能減排以及降低成本等。這就決定了鎂合金在車用材料領域將具有極其廣泛的市場,雖然在國際上,鎂合金的研發仍舊處于廣泛應用前的起步階段,但是關于鎂合金制備及加工的技術報道愈來愈多,科研人員的目光正逐漸轉移到這個新興的領域。

 

由于鎂合金的合成技術較為復雜,開發成本較高,我國車用材料中鎂合金的應用較少,單車用量不足1.5kg,其中應用技術最成熟的構件為壓鑄鎂合金轉向盤骨架。少數車型應用鎂合金制作了座椅骨架、儀表板骨架等構件。與國際先進的研發技術相比,我國在鎂合金的研發領域尚處于起步階段,與國際先進技術差距較大,鎂合金材料在汽車產業中的應用更顯不足。因此,我國應強化對鎂合金的開發,加大該領域的科研經費投入,盡早將鎂合金在汽車領域中產業化,從而推動汽車行業的發展,為進入國際市場打下堅實的基礎。

 

4.泡沫鋁

泡沫鋁作為一種新型輕質材料,具有較高的孔隙率,該材料既具有鋁的金屬性能,又由于其泡沫狀的孔隙結構實現了金屬材料的性質優化,其機械、物理、聲學和熱學特性表現都十分出色。與具有孔隙的粉末冶金材料相比,泡沫鋁材料孔徑較大,兼具輕質、物理化學性質優異、污染小等優點,適用范圍廣。近年來,泡沫鋁材料在汽車產業中應用很廣,其輕量、環保、節能的優點,迎合了汽車產業發展的需求,且由于其隔聲和吸聲性能,可減緩汽車振動與噪聲危害,在交通運輸業迅速發展的今天,實現了聲學上的綠色環保,并在汽車結構中可以大范圍地進行應用,泡沫鋁材料促進了在汽車產業的發展,汽車產業也使泡沫鋁材料迎來了無限商機。

 

三、非金屬類車用材料的新發展

 

1.碳纖維材料

20世紀60年代開始,碳纖維材料開始迅速發展。碳纖維,又稱“黑色黃金”,是通過有機纖維或低分子烴氣體進行高熱反應得到,碳纖維的生產過程通過對原絲進行預氧化、高溫碳化、石墨化、表面處理等諸多步驟,得到的材料為纖維狀材料,是一種高科技新式碳材料,碳含量在90%以上。相比傳統材料,碳纖維具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、抗化學腐蝕、低電阻、高熱導、低熱膨脹、耐化學輻射等優點,在2000℃以上的高溫惰性環境中,仍能夠保持原有強度,并且其還具有纖維的柔曲、可編2大優點。作為車用材料,碳纖維材料的最大優勢就是輕量,這可以大程度的改善車體質量,提高整車舒適感。所以,國外很多國家相繼出臺了碳纖維的研發計劃,投入了許多的人力和物力,以促進碳纖維材料盡早在在汽車產業大規模應用。現今,在車用材料領域,碳纖維及其復合材料正逐步取代常規金屬材料,得以加大應用,提高了汽車的整體性能。

 

在汽車產業中,碳纖維材料主要在車體、底盤、傳動軸、發動機殼體、剎車片等結構中進行應用。由于碳纖維的生產成本問題,為了促進其在中檔車中的應用,近期碳纖維及其復合材料的研究重點為提高生產效率、降低生產成本,優化成型工藝,降低添加劑成本,碳纖維再生技術等。由于碳纖維原料的生產成本及車用零部件制造成本比較高,碳纖維增強復合材料在車用材料領域的應用還有一定的局限性,F1賽車、高級乘用車上的應用較多。寶馬公司生產的碳纖維量產電動汽車,其整車車身由全碳纖維制造,車身總重只有112.2kg,號稱有史以來寶馬公司技術最先進車型的寶馬i系將再引領汽車發展的潮流,車身的4門2蓋均由、工程塑料、內加強板、玻璃纖維和碳纖維增強材料復合而成。除了寶馬公司以外,其他各大汽車廠商將中等規模量產碳纖維材料車型。通用某些系列汽車車身,福特的GT40車身、保時捷911 GT3承載式車身等均采用了碳纖維復合材料。

 

另外,以樹脂、陶瓷、金屬等為基體,碳纖維材料為增強體,經過特殊復合成型工藝制得的碳纖維復合材料,表現出了優異的性能,既可作為結構材料,用于承載車體負荷,又可作為功能材料,實現車體的性能需求,碳纖維車身能承受較大的拉應力,在發生交通意外時,通過碳纖維復合材料制備的封閉駕駛空間,即使在車身受到高速沖撞,甚至車體解體時,仍能夠保證駕駛者的安全。車身結構件中應用碳纖維材料,減重效果相比高強度鋼材料提高了約50%,相比鋁合金材料提高了約30%。全球的汽車企業針對碳纖維汽車市場展開了激戰,國際碳纖維巨頭也紛紛擴能7。歐州的車用碳纖維復合材料底板所用的碳纖維復合材料,采用了樹脂傳遞模塑成型工藝,提高了零件的可設計性,底板零部件的數量大幅減少,車身質量相比鋼材料也大幅減輕,并且車身性能維持鋼身不變。蘭博基尼旗艦款超級跑車的駕乘艙完全采用碳纖維復合材料制造而成,車體質量超輕,實現了車身的靈活性,提高了行進速度。

 

2.塑料

塑料,指以高分子量合成樹脂為原料,加入適當添加劑和助劑后,經成型工藝合成的塑性材料或通過交聯固化形成的剛性材料。20世紀以來,塑料作為新興產物廣泛應用于社會生活中的方方面面。塑料材質較輕,并且其化學性質穩定,耐腐蝕性好,此外,塑料具有透明、耐熱、固性好、易著色、韌性好等優點,具有較好的應用前景,是最重要的汽車輕質材料之一。

 

通過在車體上提高塑料材料的用量,可有效減少車身質量,從而節能減排。目前,車用塑料材料的量約占塑料材料總消耗量的8%;中級轎車中,塑料材料的用量約占整車質量的12%-15%。車用塑料材料,主要為聚氨酯PU、聚丙烯PP、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS、聚苯乙烯PS、苯乙烯-丙烯腈共聚物SAN、苯乙烯-順丁烯二酸酐共聚物SMA、聚氯乙烯PVC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚乙烯PE等。目前,塑料材料在汽車車體中的應用主要是內飾區域,汽車主要結構件、外裝件、車門、座椅、前端模塊等部件是未來汽車塑料化發展的方向。在汽車的外飾中,最常見的應用是汽車保險杠格柵和翼子板。汽車的保險杠應用了塑料易于著色、 耐熱性好和強度高的特性,生產成本相對低廉。格柵主要采用ABS材料,但是由于ABS材料耐高溫性能差,在制造的過程中若添加黑色助劑,可提高其耐高溫性能。翼子板的主要功能為阻擋泥水飛濺到車身底部,所以翼子板需要有較強的耐腐蝕性和抗摩擦性。

目前,針對車用塑料材料的需求特點,在其研發過程中,對傳統PP材料進行改性已經成為了研究的重點。

 

PP改性材料,是指對常規的PP材料進行化學改性,其一是添加增強組分,如玻璃纖維、滑石粉、云母及碳酸鈣,通過這種改性可以提高材料的剛性和低溫抗沖擊性等;其二是添加增韌組分,如烯烴類熱塑性彈性體POE和三元乙丙橡膠EPDM。通過上述改性,在提高PP材料特性的同時,還能夠降低生產成本。增強組分的選取以及添加量決定了PP材料的強度大小。在PP材料中加入20%的玻璃纖維后所制備得到的復合材料,其剛性和耐熱性都得到了大幅提高,并且其韌性幾乎沒有變化,熱變形溫度也得到了提高。玻璃纖維增強的PP材料在汽車結構件和耐熱部件中應用較廣。通過滑石粉和碳酸鈣作為增強組分對PP進行改性,其強度和耐熱性要明顯低于玻璃纖維改性的PP材料。但滑石粉和碳酸鈣具有經濟性高的優點,所以其在PP改性領域應用前景也較好。現今,改性PP材料已廣泛地應用于汽車的內飾和外飾零部件中,如保險杠、立柱和儀表盤等。但是值得注意的是,通過增強組分對PP材料進行改性后,會影響材料的韌性,所以需要在加入增組分的同時加入增韌組分,如彈性體,對PP材料的耐低溫沖擊性能同時進行改善。

 

另外,新興的PP材料層出不窮,比較成熟的如高結晶PP材料,其強度較高,可減少PP改性過程中增強組分的使用量,降低復合材料的密度,實現材料的輕量化,達到節能環保的目的。高抗沖PP材料,由于其是通過加大橡膠含量共聚而成的PP材料,通過調整橡膠含量可以對復合材料的耐低溫沖擊性能進行調控。日本JPP公司采用HORIZONE工藝開發了新型PP樹脂,其乙烯含量最高可達20%,橡膠含量最高可達50%,在汽車結構件中已經進行了應用。

 

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS具有較高的沖擊強度,較好的穩定性及耐溶劑,但純ABS 表面硬度較低、容易產生劃痕,且表面光澤度較差,應用領域較窄。聚甲基丙烯酸甲酯PMMA光學性能和耐候性較好、表面硬度高,但抗沖擊強度較差。ABS 和PMMA 具有良好的相容性,因此,常通過對二者進行混合,得到光澤度高、防劃傷、高沖擊性能的合金材料,可以較好的應用在汽車材料領域。

 

3.特種橡膠

特種橡膠在汽車產業中有的應用也越來越廣泛。汽車材料中的橡膠消耗量占全球總體橡膠產量的約70%。這樣高程度的應用促進了橡膠產業的發展,提高橡膠的性能及環保標準迫在眉睫。車用橡膠材料需要兼具耐高溫、耐油、耐磨等性能,才能滿足日益發展的橡膠材料產業的需求。常見的特種橡膠包括氟硅橡膠、氟橡膠、氫化丁腈橡膠和丙烯酸橡膠等。氟硅橡膠是通過在硅橡膠的側鏈上引入氟烷基團而成。其具有耐溫性好、絕緣性好、透氣性好、耐輻射及熱老化性能優異等特點,氟橡膠的制備是通過在碳鏈的主鏈或側鏈上引入氟原子,其具有良好的耐油和耐腐蝕性,廣泛應用于汽車制造行業中;氫化丁腈橡膠是丁腈橡膠加氫后形成的飽和的彈性體,其機械強度高,并且對于時下非常流行的混合燃料有很強的適應性,可以應對限制乙醇汽油等混合燃料大規模發展而帶來的難題。HNBR的耐氧化特性,能夠使其很好的應用于汽車的燃油系統密封件、及密封圈中,性能優異;丙烯酸橡膠是通過丙烯酸酯共聚制備得到的,這種材料的耐油性和耐熱性好。丙烯酸橡膠主要應用于潤滑油系統的油封、減震等方面。

 

4..復合材料

復合材料由于具有優良的性能,并且成本低廉、可用性強。熱塑性復合材料還具有可循環利用的特點,環保性能好,所以近年來復合材料越來越多的被應用于汽車產業中。汽車用非金屬復合材料包括通用塑料、先進高性能工程塑料和樹脂基復合材料等。樹脂基復合材料根據增強體和基體材料不同,可以分為諸多類型,如上文提到的玻璃纖維增強型復合材料,以及碳纖維增強型復合材料,近期生物纖維增強型復合材料的發展勢頭也良好,生物纖維增強復合材料一般來源于植物,是一種綠色資源,可以回收和降解。生物纖維增強型復合材料對改善車內空氣質量也有益處,可以在汽車內飾如門內板等進行應用。在車用材料領域,玻璃纖維增強型復合材料應用作為廣泛,如乘用車車身空氣導流板、前翼子板和前擋泥板延伸部件、發動機罩、裝飾條、尾板等以及商用車的保險杠、翼子板、腳踏板、面罩等。玄武巖纖維增強復合材料由于其優異的性能和低廉的價格,正逐漸取代玻璃纖維增強復合材料,成為車用輕量化材料的新趨勢。

 

早在2015年,美國能源部就宣布計劃在5年里投入7000萬美元用以推動復合材料的研發進程,以應用于清潔能源產品中。美國政府還宣布組建研究機構,用于專門研發先進復合材料,該研究機構的體制為合作制,直接與企業、高校和國家實驗室對接,為創新復合材料技術的開發和研究提供最強有力的支持。復合材料的特點是可實現零部件的模塊化生產,這就為汽車部件的生產提供了便利。如寶馬公司生產的某系列的汽車變速器組件就是利用復合材料制備而成,通過復合材料,不僅節約了發動機艙內及其珍貴的狹小空間,同時成型工藝也變得更為簡單。

 

竹纖維也叫竹原纖維,具有除臭抑菌、抗紫外線、吸音隔熱、可自然降解等特性,是很好的可再生資源及環保材料,隨著車用新材料的不斷發展,竹纖維增強復合材料在汽車內飾上的應用越來越廣泛,竹纖維增強復合材料由于其輕質特性,已經成為了比較重要的汽車輕量化材料,還可以在一定程度上對常規車用材料的性能進行,為汽車整車工程學的難題提供解決方案。竹纖維增強復合材料將成為炙手可熱的車用材料。

 

四、結語

 

縱觀今后車用材料產業的競爭,是一場輕量化的戰爭,同樣是節能和環保的創新性競爭。車用新材料技術的發展將成為行業焦點的集中地。車用材料輕量、靈活的設計自由度、低廉的制作成本低、優異的物理性能,將是發展的必然趨勢。同時,盡可能實現節能減排、提高車體安全性是車用材料研發者追求的目標。相信在愈發活躍的市場和科研氛圍下,車用新材料領域會取得更快的發展,為市場提供更加安全、舒適、環保的汽車。

 

文/王維

國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心

 

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來源:王維新材料產業

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