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我國汽車產(chǎn)業(yè)在經(jīng)過了多年高速增長后，正進入產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和技術(shù)升級的新時期。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。
? ? ??“雙碳”及電動汽車大增長背景下，車用材料的方向有哪些？特斯拉Model X
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)用進行闡述。

車用改性塑料

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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。
其中輕量化的一個方向是薄壁化的工程，比如保險杠慢慢過渡到更薄的，既能實現(xiàn)減重，又能實現(xiàn)生產(chǎn)效率的提高。還有一個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)材料在部件上可實現(xiàn)最高50%的減重。
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增強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，實現(xiàn)整體的減重。其中內(nèi)板還要考慮更多，比如鋼度、強度、耐疲勞性，甚至要求有很好的散發(fā)特性。
? ? ??“雙碳”及電動汽車大增長背景下，車用材料的方向有哪些？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，既能實現(xiàn)電磁屏蔽，又能實現(xiàn)導(dǎo)熱，具有很廣闊的應(yīng)用前景。對于制件的表面標識，可以實現(xiàn)激光打標的材料也很多。還有透波類的，應(yīng)用于保險杠相關(guān)的雷達組件，可以減少對雷達信號的影響。

碳纖維復(fù)合材料

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去年我國“雙碳”目標的提出，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。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。
? ? ? ?“雙碳”及電動汽車大增長背景下，車用材料的方向有哪些？圖源：日經(jīng)技術(shù)在線
目前，汽車主機廠、零部件企業(yè)、材料供應(yīng)商、碳纖維制造企業(yè)、研發(fā)機構(gòu)等，均認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、自動化量產(chǎn)、批量應(yīng)用示范等。
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從研發(fā)進展來看，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。
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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，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，同時還完全克服了一般陶瓷材料的脆性大、功能單一等缺點，是世界上公認的理想的高溫結(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。實現(xiàn)碳陶盤的低成本制備，可以從五個維度著手。
? ? ??“雙碳”及電動汽車大增長背景下，車用材料的方向有哪些？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角五塊余料，導(dǎo)致整個原材料的利用率非常低。

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第五個方面是能源價格。因為制備碳陶盤熱工藝所需的溫度高且時間長，用電量是非常大的，所以如果能夠爭取到優(yōu)惠的能源專項價格，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

因為輪胎也有比較嚴重的碳排放問題。所以作為新一代輪胎，也要實現(xiàn)綠色化。
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北京化工大學(xué)研究團隊近些年致力于開發(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。
? ? ? ?“雙碳”及電動汽車大增長背景下，車用材料的方向有哪些？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行了跑車實驗，濕抓、抗?jié)窕⒒炷翜y試均得到了雙B級。
? ? ?“雙碳”及電動汽車大增長背景下，車用材料的方向有哪些？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續(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。
? ? ? ?“雙碳”及電動汽車大增長背景下，車用材料的方向有哪些？圖源：汽車動力總成
在這三項技術(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、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。
? ? ??“雙碳”及電動汽車大增長背景下，車用材料的方向有哪些？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，今后的重點發(fā)展方向是輕量化，在這方面也提出了比較高的要求。現(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，因為要提升一些舒適，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)實現(xiàn)了透光表皮中控扶手，能夠滿足消費者對整個區(qū)域軟處包覆的要求。
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汽車材料工藝技術(shù)現(xiàn)階段的實現(xiàn)路徑主要包含結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以及高強鋼、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)計和多材料混合應(yīng)用。
參考資料：汽車新材料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢，鄭雪芹??

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦高分子）：“雙碳”及電動汽車大增長背景下，車用材料的方向有哪些？

作者 li, meiyong

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