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我國汽車產業在經過了多年高速增長后，正進入產業轉型和技術升級的新時期。在“雙積分”法規以及新能源汽車產業政策的雙重驅動下，車用材料也迎來了新的發展機遇。傳統以鋼為主的汽車用材結構，正向鋼鋁混合、全鋁車身、塑料復合材料和鎂合金等多材料混合應用的趨勢發展。
? ? ??“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，在全球節能與環保的大勢所趨下，汽車材料的應用和發展始終圍繞著“綠色、低碳、輕量化”這一大方向。接下來，我們對車用改性塑料、碳纖維復合材料、碳陶復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發展及應用進行闡述。

車用改性塑料

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從車用塑材開發的新需求來講，主要技術包括輕量化、復材、美學技術、創新功能、創新彈性體、創新特種材料等。
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，既能實現減重，又能實現生產效率的提高。還有一個輕量化的方案就是微發泡，包括成型方式，有一次性的欠注，還有滿注成型，再通過松退，實現中間層的發泡，類似于三明治的結構。
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對于微孔發泡主要有注塑微發泡、吹塑微發泡和擠出微發泡等，注塑微發泡適用于各種汽車內外飾件，如車身門板、尾門、風道等；擠出微發泡適用于密封條、頂棚等；吹塑微發泡適用于汽車風管等。利用微發泡技術可使PP制品的質量減少約10%～20%?，較傳統材料在部件上可實現最高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也很好，甚至超越了長玻纖的材料。
全塑車身結構的應用方面，以尾門為例，內板和外板用聚丙烯改性的材料，通過焊接的方式，實現整體的減重。其中內板還要考慮更多，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
納米注塑，是由日本大成普拉斯株式會社（Taisei Plas）研發問世，2004年實現商業化應用，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，既能實現電磁屏蔽，又能實現導熱，具有很廣闊的應用前景。對于制件的表面標識，可以實現激光打標的材料也很多。還有透波類的，應用于保險杠相關的雷達組件，可以減少對雷達信號的影響。

碳纖維復合材料

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去年我國“雙碳”目標的提出，倒逼CFRP ?(碳纖維復合材料)在量產車型的應用步伐加快。
當前我國碳排放達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%，汽車節能降耗減排迫在眉睫，任重道遠。而輕量化是節能減排的必由之路，CFRP因其高性能低密度的優勢，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：日經技術在線
目前，汽車主機廠、零部件企業、材料供應商、碳纖維制造企業、研發機構等，均認同碳纖維在汽車輕量化的重要作用和發展前景。其中很多主機廠已經從研發樣件、樣車，到尋求量產車型應用碳纖維的整體解決方案，比如結構設計、自動化量產、批量應用示范等。
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從研發進展來看，一批量產車型開始使用碳纖維零部件，并出現了車用CFRP生產企業。在汽車主機廠中，上汽、北汽、長安、吉利、蔚來、特斯拉等量產車型已開始應用CFRP零部件；同時涌現出一批CFRP零部件生產供應企業，如澳盛科技、亨睿、卡萊、華漁傳動科技等，都已建立了量產零部件示范生產線。
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專家建議，國家應加大支持力度，建立中國汽車輕量化CFRP技術體系和供應鏈體系，形成量產車型應用示范效應，包括：碳纖維低成本化，汽車專用高模量低成本碳纖維；CFRP模塊化設計，減少零部件數量，降低自動化生產難度；攻克碳纖維與金屬混雜結構難題；研發CFRP低成本化自動化量產技術與裝備，提高成型節拍(快速固化樹脂、熱塑性復合材料)，降低CFRP成型成本。

碳陶復合材料

碳/陶復合材料是由碳纖維、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、耐酸堿和所有化學物質腐蝕、熱膨脹系數小、比重輕等優點，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構材料、摩擦材料以及深冷材料，碳陶復合材料可在乘用車制動盤上取得應用。
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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用，目前國產碳陶盤應用主要集中在改裝車。實現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，這部分可以通過優化碳纖維的牌號和含量來實現原材料成本的降低。

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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，可以通過開發多料柱限域CVI工藝和快速熔融工藝來實現生產周期的大幅度降低。

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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可以大幅度提高生產效率，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。當前長纖盤預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，也要實現綠色化。
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北京化工大學研究團隊近些年致力于開發第二代天然橡膠，在我國的新疆和哈薩克斯坦邊界地區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成功制造了輪胎，獲得了比較高的關注。
? ? ? ?“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。設計合成了原創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量比較大，成本較低，通過酯化實現了非常多的結構和性能的調控。利用這種橡膠做出的輪胎已進行了跑車實驗，濕抓、抗濕滑、混凝土測試均得到了雙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，是北京化工大學獨立自主開發的全球首批次的可降解輪胎。
當然，除了原材料之外，針對綠色助劑的開發，對廢橡膠的回收利用，以及更節油的輪胎，對降低輪胎的碳排放都有助益。

汽車新材料發展趨勢

“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，各種新材料的開發也提上了日程。
? ? ? ?“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、汽車的生產成本等。電機、電控技術則相對比較成熟。而電池系統涉及的材料種類、性能要求與傳統車均有較大不同。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，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、輪胎等相關材料占比28%。從整車材料發展趨勢來說，今后的重點發展方向是輕量化，在這方面也提出了比較高的要求。現在輕量化方面還是主要圍繞上裝和下裝的開發，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，在車內內飾部分，因為要提升一些舒適，所以像透光皮革，也成為未來內飾發展的趨勢。目前已經實現了透光表皮中控扶手，能夠滿足消費者對整個區域軟處包覆的要求。
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汽車材料工藝技術現階段的實現路徑主要包含結構優化設計，以及高強鋼、輕金屬、工程塑料、復合材料及其相關的各種成形工藝技術，而未來的發展方向則要聚焦與優化設計和多材料混合應用。
參考資料：汽車新材料的應用及發展趨勢，鄭雪芹??

原文始發于微信公眾號（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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