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“双碳”及电动汽车大增长背景下,车用材料的方向有哪些?

我国汽车产业在经过了多年高速增长后,正进入产业转型和技术升级的新时期。在“双积分”法规以及新能源汽车产业政策的双重驱动下,车用材料也迎来了新的发展机遇。传统以钢为主的汽车用材结构,正向钢铝混合、全铝车身、塑料复合材料和镁合金等多材料混合应用的趋势发展。
      图片特斯拉Model X

整体来看,在全球节能与环保的大势所趋下,汽车材料的应用和发展始终围绕着“绿色、低碳、轻量化”这一大方向。接下来,我们对车用改性塑料、碳纤维复合材料、碳陶复合材料等轻量化材料,以及低碳橡胶材料等绿色低碳材料进行简单介绍,并对汽车材料的工艺技术发展及应用进行阐述。


车用改性塑料


   
从车用塑材开发的新需求来讲,主要技术包括轻量化、复材、美学技术、创新功能、创新弹性体、创新特种材料等。

其中轻量化的一个方向是薄壁化的工程,比如保险杠慢慢过渡到更薄的,既能实现减重,又能实现生产效率的提高。还有一个轻量化的方案就是微发泡,包括成型方式,有一次性的欠注,还有满注成型,再通过松退,实现中间层的发泡,类似于三明治的结构。
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对于微孔发泡主要有注塑微发泡、吹塑微发泡和挤出微发泡等,注塑微发泡适用于各种汽车内外饰件,如车身门板、尾门、风道等;挤出微发泡适用于密封条、顶棚等;吹塑微发泡适用于汽车风管等。利用微发泡技术可使PP制品的质量减少约10%~20% ,较传统材料在部件上可实现最高50%的减重。
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增强材料中对高性能玻纤的使用,可以使材料有10%-20%的性能提升。它长期的耐疲劳性表现也很好,甚至超越了长玻纤的材料。

全塑车身结构的应用方面,以尾门为例,内板和外板用聚丙烯改性的材料,通过焊接的方式,实现整体的减重。其中内板还要考虑更多,比如钢度、强度、耐疲劳性,甚至要求有很好的散发特性。
      图片图源:中国汽车材料网

纳米注塑,是由日本大成普拉斯株式会社(Taisei Plas)研发问世,2004年实现商业化应用,类似通过二次注塑的形式,金属嵌件的形式,逐渐替代金属,达到减重的目的,大部分以工程材料为主,包括PPS, PBT等等。

另外在功能方面,有电磁屏蔽材料,既能实现电磁屏蔽,又能实现导热,具有很广阔的应用前景。对于制件的表面标识,可以实现激光打标的材料也很多。还有透波类的,应用于保险杠相关的雷达组件,可以减少对雷达信号的影响。


碳纤维复合材料


   
去年我国“双碳”目标的提出,倒逼CFRP  (碳纤维复合材料)在量产车型的应用步伐加快。

当前我国碳排放达110亿吨,其中电力占40%,汽车碳排放占7%,石油(70%用于汽车燃油)占15%,汽车节能降耗减排迫在眉睫,任重道远。而轻量化是节能减排的必由之路,CFRP因其高性能低密度的优势,将成为汽车轻量化的重要途径之一。
       图片图源:日经技术在线

目前,汽车主机厂、零部件企业、材料供应商、碳纤维制造企业、研发机构等,均认同碳纤维在汽车轻量化的重要作用和发展前景。其中很多主机厂已经从研发样件、样车,到寻求量产车型应用碳纤维的整体解决方案,比如结构设计、自动化量产、批量应用示范等。
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从研发进展来看,一批量产车型开始使用碳纤维零部件,并出现了车用CFRP生产企业。在汽车主机厂中,上汽、北汽、长安、吉利、蔚来、特斯拉等量产车型已开始应用CFRP零部件;同时涌现出一批CFRP零部件生产供应企业,如澳盛科技、亨睿、卡莱、华渔传动科技等,都已建立了量产零部件示范生产线。
   
专家建议,国家应加大支持力度,建立中国汽车轻量化CFRP技术体系和供应链体系,形成量产车型应用示范效应,包括:碳纤维低成本化,汽车专用高模量低成本碳纤维;CFRP模块化设计,减少零部件数量,降低自动化生产难度;攻克碳纤维与金属混杂结构难题;研发CFRP低成本化自动化量产技术与装备,提高成型节拍(快速固化树脂、热塑性复合材料),降低CFRP成型成本。


碳陶复合材料



碳/陶复合材料是由碳纤维、陶瓷纤维及其织物作为增强相,以石英、长石、碳化硅等陶瓷作为基体相的一类复合材料的总称。

碳/陶材料不仅具有高性能陶瓷的高强度、高模量、高硬度、耐冲击、抗氧化、耐高温、耐酸碱和所有化学物质腐蚀、热膨胀系数小、比重轻等优点,同时还完全克服了一般陶瓷材料的脆性大、功能单一等缺点,是世界上公认的理想的高温结构材料、摩擦材料以及深冷材料,碳陶复合材料可在乘用车制动盘上取得应用。
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乘用车碳陶制动盘目前问题是高成本,限制了乘用车碳陶盘的推广和应用,目前国产碳陶盘应用主要集中在改装车。实现碳陶盘的低成本制备,可以从五个维度着手。
      图片图源:深圳市勒马制动科技

1

首先是原材料方面,碳陶盘原材料成本大部分源自碳纤维,这部分可以通过优化碳纤维的牌号和含量来实现原材料成本的降低。

2

其次是制备工艺方面,长纤盘制备周期长主要受限于热工艺,可以通过开发多料柱限域CVI工艺和快速熔融工艺来实现生产周期的大幅度降低。

3

第三是智能化方面,陶瓷组分的存在使碳陶盘加工难度大和加工效率低。通过智能化在线检测和生产可以大幅度提高生产效率,进一步降低成本。

4

第四是新工艺和新方法方面,也有很多工作可以做。当前长纤盘预制体是从方板上面切割下来,这样会形成中间和四个角五块余料,导致整个原材料的利用率非常低。

5

第五个方面是能源价格。因为制备碳陶盘热工艺所需的温度高且时间长,用电量是非常大的,所以如果能够争取到优惠的能源专项价格,对于碳陶盘的成本降低非常有帮助。



轮胎用绿色低碳橡胶材料



因为轮胎也有比较严重的碳排放问题。所以作为新一代轮胎,也要实现绿色化。
   
北京化工大学研究团队近些年致力于开发第二代天然橡胶,在我国的新疆和哈萨克斯坦边界地区找到了一些野生的橡胶草,叫蒲公英橡胶草,其胶乳跟天然橡胶树的胶乳是一样的。目前,利用蒲公英提取的橡胶已经成功制造了轮胎,获得了比较高的关注。
       图片蒲公英橡胶草  图源:玲珑轮胎

北京化工大学副校长、教授张立群首次提出了“生物基工程弹性体”的概念。设计合成了原创的生物基衣康酸酯弹性体和生物基聚酯弹性体。其中生物基衣康酸酯橡胶产量比较大,成本较低,通过酯化实现了非常多的结构和性能的调控。利用这种橡胶做出的轮胎已进行了跑车实验,湿抓、抗湿滑、混凝土测试均得到了双B级。
     图片图源:轮胎手记

另一种生物基聚酯橡胶材料是可降解的,用生物基可降解聚酯橡胶做轮胎,是北京化工大学独立自主开发的全球首批次的可降解轮胎。

当然,除了原材料之外,针对绿色助剂的开发,对废橡胶的回收利用,以及更节油的轮胎,对降低轮胎的碳排放都有助益。


汽车新材料发展趋势



“双碳”背景下,电动化、智能化、轻量化成为必然趋势。为了提高新能源汽车续航里程,对一些碳纤维材料提出了比较高的要求。围绕着“三电”系统,各种新材料的开发也提上了日程。
       图片图源:汽车动力总成

在这三项技术中,电池又是最重要的,它影响到汽车单次充电的行驶里程、汽车的生产成本等。电机、电控技术则相对比较成熟。而电池系统涉及的材料种类、性能要求与传统车均有较大不同。比如隔膜、正负极材料、模组材料、箱体材料、胶粘材料、隔热材料、电气系统材料等等。
      图片电池电芯组成图 图源:汽车动力总成

而对于智能化来说,特别是智能驾驶、智能座舱等,对智能材料从集成性、功能性、装饰性三大方面也提出了更高的要求。未来要打造个性化的需求,所以在智能方面的材料技术,如介电材料、电磁屏蔽材料、表面交互材料、高减震的材料等,需求大幅提升。

从目前的整车材料分布比例来看,整车构成材料种类高达40多种,其中,金属材料占比72%,非金属材料包括油漆、轮胎等相关材料占比28%。从整车材料发展趋势来说,今后的重点发展方向是轻量化,在这方面也提出了比较高的要求。现在轻量化方面还是主要围绕上装和下装的开发,以及电池包的轻量化,比如混合车身、铝材料底盘、SMC材料等。

另外,在车内内饰部分,因为要提升一些舒适,所以像透光皮革,也成为未来内饰发展的趋势。目前已经实现了透光表皮中控扶手,能够满足消费者对整个区域软处包覆的要求。
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汽车材料工艺技术现阶段的实现路径主要包含结构优化设计,以及高强钢、轻金属、工程塑料、复合材料及其相关的各种成形工艺技术,而未来的发展方向则要聚焦与优化设计和多材料混合应用。

参考资料:汽车新材料的应用及发展趋势,郑雪芹  


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