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【關(guān)注】“雙碳”及電動汽車大增長背景下,車用材料的方向有哪些?
時(shí)間:2022-01-11 ?
我國汽車產(chǎn)業(yè)在經(jīng)過了多年高速增長后,正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和技術(shù)升級的新時(shí)期。在“雙積分”法規(guī)以及新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策的雙重驅(qū)動下,車用材料也迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。傳統(tǒng)以鋼為主的汽車用材結(jié)構(gòu),正向鋼鋁混合、全鋁車身、塑料復(fù)合材料和鎂合金等多材料混合應(yīng)用的趨勢發(fā)展。


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整體來看,在全球節(jié)能與環(huán)保的大勢所趨下,汽車材料的應(yīng)用和發(fā)展始終圍繞著“綠色、低碳、輕量化”這一大方向。接下來,我們對車用改性塑料、碳纖維復(fù)合材料、碳陶復(fù)合材料等輕量化材料,以及低碳橡膠材料等綠色低碳材料進(jìn)行簡單介紹,并對汽車材料的工藝技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行闡述。


車用改性塑料



從車用塑材開發(fā)的新需求來講,主要技術(shù)包括輕量化、復(fù)材、美學(xué)技術(shù)、創(chuàng)新功能、創(chuàng)新彈性體、創(chuàng)新特種材料等。


其中輕量化的一個(gè)方向是薄壁化的工程,比如保險(xiǎn)杠慢慢過渡到更薄的,既能實(shí)現(xiàn)減重,又能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提高。還有一個(gè)輕量化的方案就是微發(fā)泡,包括成型方式,有一次性的欠注,還有滿注成型,再通過松退,實(shí)現(xiàn)中間層的發(fā)泡,類似于三明治的結(jié)構(gòu)。


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對于微孔發(fā)泡主要有注塑微發(fā)泡、吹塑微發(fā)泡和擠出微發(fā)泡等,注塑微發(fā)泡適用于各種汽車內(nèi)外飾件,如車身門板、尾門、風(fēng)道等;擠出微發(fā)泡適用于密封條、頂棚等;吹塑微發(fā)泡適用于汽車風(fēng)管等。利用微發(fā)泡技術(shù)可使PP制品的質(zhì)量減少約10%~20% ,較傳統(tǒng)材料在部件上可實(shí)現(xiàn)最高50%的減重。


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增強(qiáng)材料中對高性能玻纖的使用,可以使材料有10%-20%的性能提升。它長期的耐疲勞性表現(xiàn)也很好,甚至超越了長玻纖的材料。


全塑車身結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方面,以尾門為例,內(nèi)板和外板用聚丙烯改性的材料,通過焊接的方式,實(shí)現(xiàn)整體的減重。其中內(nèi)板還要考慮更多,比如鋼度、強(qiáng)度、耐疲勞性,甚至要求有很好的散發(fā)特性。


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圖源:中國汽車材料網(wǎng)


納米注塑,是由日本大成普拉斯株式會社(Taisei Plas)研發(fā)問世,2004年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,類似通過二次注塑的形式,金屬嵌件的形式,逐漸替代金屬,達(dá)到減重的目的,大部分以工程材料為主,包括PPS, PBT等等。


另外在功能方面,有電磁屏蔽材料,既能實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽,又能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱,具有很廣闊的應(yīng)用前景。對于制件的表面標(biāo)識,可以實(shí)現(xiàn)激光打標(biāo)的材料也很多。還有透波類的,應(yīng)用于保險(xiǎn)杠相關(guān)的雷達(dá)組件,可以減少對雷達(dá)信號的影響。



碳纖維復(fù)合材料



去年我國“雙碳”目標(biāo)的提出,倒逼CFRP  (碳纖維復(fù)合材料)在量產(chǎn)車型的應(yīng)用步伐加快。


當(dāng)前我國碳排放達(dá)110億噸,其中電力占40%,汽車碳排放占7%,石油(70%用于汽車燃油)占15%,汽車節(jié)能降耗減排迫在眉睫,任重道遠(yuǎn)。而輕量化是節(jié)能減排的必由之路,CFRP因其高性能低密度的優(yōu)勢,將成為汽車輕量化的重要途徑之一。


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圖源:日經(jīng)技術(shù)在線


目前,汽車主機(jī)廠、零部件企業(yè)、材料供應(yīng)商、碳纖維制造企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)等,均認(rèn)同碳纖維在汽車輕量化的重要作用和發(fā)展前景。其中很多主機(jī)廠已經(jīng)從研發(fā)樣件、樣車,到尋求量產(chǎn)車型應(yīng)用碳纖維的整體解決方案,比如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自動化量產(chǎn)、批量應(yīng)用示范等。


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從研發(fā)進(jìn)展來看,一批量產(chǎn)車型開始使用碳纖維零部件,并出現(xiàn)了車用CFRP生產(chǎn)企業(yè)。在汽車主機(jī)廠中,上汽、北汽、長安、吉利、蔚來、特斯拉等量產(chǎn)車型已開始應(yīng)用CFRP零部件;同時(shí)涌現(xiàn)出一批CFRP零部件生產(chǎn)供應(yīng)企業(yè),如澳盛科技、亨睿、卡萊、華漁傳動科技等,都已建立了量產(chǎn)零部件示范生產(chǎn)線。


專家建議,國家應(yīng)加大支持力度,建立中國汽車輕量化CFRP技術(shù)體系和供應(yīng)鏈體系,形成量產(chǎn)車型應(yīng)用示范效應(yīng),包括:碳纖維低成本化,汽車專用高模量低成本碳纖維;CFRP模塊化設(shè)計(jì),減少零部件數(shù)量,降低自動化生產(chǎn)難度;攻克碳纖維與金屬混雜結(jié)構(gòu)難題;研發(fā)CFRP低成本化自動化量產(chǎn)技術(shù)與裝備,提高成型節(jié)拍(快速固化樹脂、熱塑性復(fù)合材料),降低CFRP成型成本。



碳陶復(fù)合材料



碳/陶復(fù)合材料是由碳纖維、陶瓷纖維及其織物作為增強(qiáng)相,以石英、長石、碳化硅等陶瓷作為基體相的一類復(fù)合材料的總稱。

碳/陶材料不僅具有高性能陶瓷的高強(qiáng)度、高模量、高硬度、耐沖擊、抗氧化、耐高溫、耐酸堿和所有化學(xué)物質(zhì)腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、比重輕等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)還完全克服了一般陶瓷材料的脆性大、功能單一等缺點(diǎn),是世界上公認(rèn)的理想的高溫結(jié)構(gòu)材料、摩擦材料以及深冷材料,碳陶復(fù)合材料可在乘用車制動盤上取得應(yīng)用。
  
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乘用車碳陶制動盤目前問題是高成本,限制了乘用車碳陶盤的推廣和應(yīng)用,目前國產(chǎn)碳陶盤應(yīng)用主要集中在改裝車。實(shí)現(xiàn)碳陶盤的低成本制備,可以從五個(gè)維度著手。

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圖源:深圳市勒馬制動科技

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首先是原材料方面,碳陶盤原材料成本大部分源自碳纖維,這部分可以通過優(yōu)化碳纖維的牌號和含量來實(shí)現(xiàn)原材料成本的降低。

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其次是制備工藝方面,長纖盤制備周期長主要受限于熱工藝,可以通過開發(fā)多料柱限域CVI工藝和快速熔融工藝來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)周期的大幅度降低。

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第三是智能化方面,陶瓷組分的存在使碳陶盤加工難度大和加工效率低。通過智能化在線檢測和生產(chǎn)可以大幅度提高生產(chǎn)效率,進(jìn)一步降低成本。

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第四是新工藝和新方法方面,也有很多工作可以做。當(dāng)前長纖盤預(yù)制體是從方板上面切割下來,這樣會形成中間和四個(gè)角五塊余料,導(dǎo)致整個(gè)原材料的利用率非常低。

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第五個(gè)方面是能源價(jià)格。因?yàn)橹苽涮继毡P熱工藝所需的溫度高且時(shí)間長,用電量是非常大的,所以如果能夠爭取到優(yōu)惠的能源專項(xiàng)價(jià)格,對于碳陶盤的成本降低非常有幫助。



輪胎用綠色低碳橡膠材料



因?yàn)檩喬ヒ灿斜容^嚴(yán)重的碳排放問題。所以作為新一代輪胎,也要實(shí)現(xiàn)綠色化。

北京化工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)近些年致力于開發(fā)第二代天然橡膠,在我國的新疆和哈薩克斯坦邊界地區(qū)找到了一些野生的橡膠草,叫蒲公英橡膠草,其膠乳跟天然橡膠樹的膠乳是一樣的。目前,利用蒲公英提取的橡膠已經(jīng)成功制造了輪胎,獲得了比較高的關(guān)注。

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蒲公英橡膠草  圖源:玲瓏輪胎

北京化工大學(xué)副校長、教授張立群首次提出了“生物基工程彈性體”的概念。設(shè)計(jì)合成了原創(chuàng)的生物基衣康酸酯彈性體和生物基聚酯彈性體。其中生物基衣康酸酯橡膠產(chǎn)量比較大,成本較低,通過酯化實(shí)現(xiàn)了非常多的結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控。利用這種橡膠做出的輪胎已進(jìn)行了跑車實(shí)驗(yàn),濕抓、抗?jié)窕?、混凝土測試均得到了雙B級。

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圖源:輪胎手記

另一種生物基聚酯橡膠材料是可降解的,用生物基可降解聚酯橡膠做輪胎,是北京化工大學(xué)獨(dú)立自主開發(fā)的全球首批次的可降解輪胎。

當(dāng)然,除了原材料之外,針對綠色助劑的開發(fā),對廢橡膠的回收利用,以及更節(jié)油的輪胎,對降低輪胎的碳排放都有助益。


汽車新材料發(fā)展趨勢



“雙碳”背景下,電動化、智能化、輕量化成為必然趨勢。為了提高新能源汽車?yán)m(xù)航里程,對一些碳纖維材料提出了比較高的要求。圍繞著“三電”系統(tǒng),各種新材料的開發(fā)也提上了日程。


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圖源:汽車動力總成


在這三項(xiàng)技術(shù)中,電池又是最重要的,它影響到汽車單次充電的行駛里程、汽車的生產(chǎn)成本等。電機(jī)、電控技術(shù)則相對比較成熟。而電池系統(tǒng)涉及的材料種類、性能要求與傳統(tǒng)車均有較大不同。比如隔膜、正負(fù)極材料、模組材料、箱體材料、膠粘材料、隔熱材料、電氣系統(tǒng)材料等等。


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電池電芯組成圖 圖源:汽車動力總成


而對于智能化來說,特別是智能駕駛、智能座艙等,對智能材料從集成性、功能性、裝飾性三大方面也提出了更高的要求。未來要打造個(gè)性化的需求,所以在智能方面的材料技術(shù),如介電材料、電磁屏蔽材料、表面交互材料、高減震的材料等,需求大幅提升。


從目前的整車材料分布比例來看,整車構(gòu)成材料種類高達(dá)40多種,其中,金屬材料占比72%,非金屬材料包括油漆、輪胎等相關(guān)材料占比28%。從整車材料發(fā)展趨勢來說,今后的重點(diǎn)發(fā)展方向是輕量化,在這方面也提出了比較高的要求?,F(xiàn)在輕量化方面還是主要圍繞上裝和下裝的開發(fā),以及電池包的輕量化,比如混合車身、鋁材料底盤、SMC材料等。


另外,在車內(nèi)內(nèi)飾部分,因?yàn)橐嵘恍┦孢m,所以像透光皮革,也成為未來內(nèi)飾發(fā)展的趨勢。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了透光表皮中控扶手,能夠滿足消費(fèi)者對整個(gè)區(qū)域軟處包覆的要求。


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汽車材料工藝技術(shù)現(xiàn)階段的實(shí)現(xiàn)路徑主要包含結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),以及高強(qiáng)鋼、輕金屬、工程塑料、復(fù)合材料及其相關(guān)的各種成形工藝技術(shù),而未來的發(fā)展方向則要聚焦與優(yōu)化設(shè)計(jì)和多材料混合應(yīng)用。


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