新材料在汽车上的应用

新材料在汽车上的应用

43100716 付朋武

现代对汽车性能要求越来越高，轻量化、节能降耗和降低排放污染是现在汽车发展的趋势，而轻量化必须从改进汽车的材料出发，研制性能更好更轻的汽车材料从而带来能源消耗的减少，进而排放污染随之降低，汽车材料的发展是汽车技术发展的重要方面.对于汽车工程材料来说，其总的发展趋势是：结构材料中钢铁材料所占比例将逐步下降，有色金属、陶瓷材料、复合材料、高分子材料等新型材料的用量将有所上升。在性能可靠的条件下，尽可能多地采用铝合金、复合材料等轻型、新型材料取代钢铁材料。随着大量新材料，如高分子材料、复合材料等的迅速发展，为现代汽车的发展提供了必要的条件。复合材料、陶瓷材料、特殊用途材料(耐蚀、耐高温、隔光、隔热材料等)的用量呈增长趋势。新材料新工艺对于汽车工业的发展是至关重要的，下面就分几个方面介绍一下最新汽车材料的应用：

车身新材料的种类:

高强度钢板

从前的高强度钢板，拉延强度虽高于低碳钢板，但延伸率只有后者的50％，故只适用于形状简单、延伸深度不大的零件。现在的高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达420N/mm2，是普通低碳钢板的2～3倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材料。到2000年，其用量已上升到50%左右。中国奇瑞汽车公司与宝钢合作，2001年在试制样车上使用的高强度钢用量为262kg，占车身钢板用量的46%，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。

低合金高强度钢板的品种主要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢板和高强度1F冷轧钢板等，车身设计师可根据板制零件受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。

含磷高强度冷轧钢板：含磷高强度冷轧钢板主要用于轿车外板、车门、顶盖和行李箱盖升板，也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。主要特点为：具有较高强度，比普通冷轧钢板高15％～25％；良好的强度和塑性平衡，即随着强度的增加，伸长率和应变硬化指数下降甚微；具有良好的耐腐蚀性，比普通冷轧钢板提高20％；具有良好的点焊性能；

烘烤硬化冷轧钢板：经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理，屈服强度得以提高。这种简称为BH钢板的烘烤硬化钢板既薄又有足够的强度，是车身外板轻量化设计首选材料之一；

冷轧双向钢板：具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点，如经烤漆后其强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等；

超低碳高强度冷轧钢板：在超低碳钢（C≤0.005％）中加入适量的钛或铌，以保证钢板的深冲性能，再添加适量的磷以提高钢板的强度。实现了深冲性与高强度的结合，特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。

轻量化迭层钢板

迭层钢板是在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料，表层钢板厚度为

0.2～0.3mm，塑料层的厚度占总厚度的25％～65％。与具有同样刚度的单层钢

板相比，质量只有57％。隔热防振性能良好，主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底板等部件。

铝合金

与汽车钢板相比，铝合金具有密度小（2.7g/cm3）、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。德国大众公司的新型奥迪

A2型轿车，由于采用了全铝车身骨架和外板结构，使其总质量减少了135kg，比传统钢材料车身减轻了43％，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%，还比同类车型的钢制车身车重减少50%。由于所有的铝合金都可以回收再生利用，深受环保人士的欢迎。

根据车身结构设计的需要，采用激光束压合成型工艺，将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合成型，再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有良好的耐腐蚀性。

镁合金

镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35％，铝材密度的66％。此外它的比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。镁的储藏量十分丰富，镁可从石棉、白云石、滑石中提取，特别是海水的盐分中含 3.7%的镁。近年来镁合金在世界范围内的增长率高达20％。

铸造镁合金的车门由成型铝材制成的门框和耐碰撞的镁合金骨架、内板组成。另一种镁合金制成的车门，它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成，每扇门的净质量比传统的钢制车门轻10kg，且刚度极高。随着压铸技术的进步，已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件，如前、后挡板、仪表盘、方向盘等。泡沫合金板

泡沫合金板由粉末合金制成，其特点是密度小，仅为0.4～0.7g／cm3，弹性好，当受力压缩变形后，可凭自身的弹性恢复原料形状。泡沫合金板种类繁多，除了泡沫铝合金板外，还有泡沫锌合金、泡沫锡合金、泡沫钢等，可根据不同的需要进行选择。由于泡沫合金板的特殊性能，特别是出众的低密度、良好的隔热吸振性能，深受汽车制造商的青睐。目前，用泡沫铝合金制成的零部件有发动机罩、行李箱盖等。

蜂窝夹芯复合板

蜂窝夹芯复合板是两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。根据夹芯材料的不同，可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝、铝蜂窝等；面板可以采用玻璃钢、塑料、铝板和钢板等材料。由于蜂窝夹芯复合板具有轻质、比强度和比刚度高、抗振、隔热、隔音和阻燃等特点，故在汽车车身上获得较多应用，如车身外板、车门、车架、保险杠、座椅框架等。英国发明了一种以聚丙烯作芯，钢板为面板的薄夹层板用以替代钢制车身外板，使零件质量减轻了50%~60%，且易于冲压成型。

车身新材料应用的现状

目前，国内外车身轻量化的研究方向是开发具有较高强度的轻质高性能新材料及设计新的轻量化结构。通过多年的探索，已取得了新的进展。德国大众九十年代末开发的路波TDI车型就是采用新设计、新材料、新工艺的综合成果。

TDI所有车身部件都是轻质金属制成的，包括前挡泥板、车门、发动机罩和尾门，其中尾门的金属外层是铝质，内板是镁制成的。汽车的内部设备许多也是轻质金属制成的，如，座椅的框架由铝制成，方向盘的内骨架是镁制成。乘客舱和发动机室之间组合隔板是铝质的。支撑结构通常也是由高强度的薄板金属制成的。

为解决新材料的防腐蚀保护和连接，大众采用创新的冲孔铆接法、迭边压接、激光钎焊等技术。路波TDI的自重为830kg，包括417kg（50.5％）的钢、136kg 轻质金属（16.4％，包括3.7kg的镁）、116kg塑料（14.0％）。在保证车身抗扭刚度、使用寿命和安全性的前提下，车身的重量减轻了50kg，汽车的总重减轻了154kg。由于汽车自重大幅度减轻，使得百公里油耗降至2.99升，总能量消耗只是传统汽车的一半。这意味着二氧化碳的排放量也将减少一半，碳氢化合物的排放量降到四分之一，是典型的环保型轿车，也是世界上批量生产的最经济轿车之一。

先进的制造工艺的研发

采用新材料与先进的制造工艺是相辅相成的，汽车工业正在努力开发新的制造方法，对传统的工艺进行更新。例如：适用于轻量化设计的连接工艺今年来有所发展，如德国某汽车公司在大批生产的轿车上采用CO2激光束焊接，与传统的焊接工艺相比，焊接成的高强度钢板车身的强度提高了50％。又如，一些复合材料的SMC壳体的材料较厚，大约为2.5～3mm，限制了轻量化的幅度。法国雷诺公司采用新的A级表面精度的SMC模压技术和低密度填料，减薄了零件厚度，使轿车壳体重量比普通SMC工艺下降了30％。

众所周知，随着现代能源的危机的爆发，我们在寻找新能源的同时也要学会节约，新材料的研发不仅提高了汽车的性能，而且减轻了总量，消耗的能源更少，提高了整车的经济性，随之带来排放废气减少，对环境的污染减轻，为人类带来福音！

纳米新材料在汽车上的应用前景

科研人员发现，当微粒达到纳米量级时会出现一种新奇现象，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁、热力学等性能呈现出与传统材料的极大差异。根据纳米材料的结构特点，把不同材料在纳米尺度下进行合成与组合，可以形成各种各样的纳米复合材料，例如纳米功能塑料。

一般塑料常用的种类有PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)、ABS(方烯腈-丁二烯-苯乙烯)、PA(聚酰胺)、PC(聚碳酸酯)、PS(聚苯乙烯)等几十种，为满足一些行业的特殊需求，用纳米技术改变传统塑料的特性，呈现出优异的物理性能，强度高，耐热性强，重量更轻。随着汽车应用塑料数量越来越多，纳米塑料很可能会普遍应用在汽车上。

这些纳米功能塑料最引起汽车业内人士注意的有阻燃塑料、增强塑料、抗紫外线老化塑料、抗菌塑料等。

阻燃塑料是以纳米级超大比表面积的无卤阻燃复合粉末为载体，经表面改性可制成的阻燃剂，利用纳米技术添加到聚乙烯中。由于纳米材料的粒径超细，经表面处理后具有相当大的表面活性，当燃烧时其热分解速度迅速，吸热能力增强，从而降低基材表面温度，冷却燃烧反应。

同时当阻燃塑料燃烧时，超细的纳米材料颗粒能覆盖在被燃材料表面并生成一层均匀的碳化层，此碳化层起到隔热、隔氧、抑烟和防熔滴的作用，从而起到阻燃作用。这种阻燃塑料具有热稳定性高，阻燃持久、无毒性等优点，消除了普通无机阻燃剂由于添加量大对材料力学性能和加工材料污染环境带来的缺陷，可以取替有毒的溴类、锑类阻燃材料，有利环境保护。

目前汽车设计要求规定，凡通过乘客座舱的线路、管路和设备材料必须要符合阻燃标准，例如内饰和电气部分的面板、包裹导线的胶套，包裹线束的波纹管、胶管等，使用阻燃塑料能够轻易达到要求。

增强塑料是在塑料中填充经表面处理的纳米级无机材料蒙脱土、CaCO3、SiO2等，这些材料对聚丙烯的分子结晶有明显的聚敛作用，可以使聚丙烯等塑料的抗拉强度、抗冲击韧性和弹性模量上升，使塑料的物理性能得到明显改善。增强增韧塑料可以代替金属材料，由于它们比重小，重量轻，因此广泛用于汽车上可以大幅度减轻汽车重量，达到节省燃料的目的。

这些用纳米技术改性的增强增韧塑料，可以用于汽车上的保险杠、座椅、翼子板、顶蓬盖、车门、发动机盖、行李舱盖等，某至还可用于变速器箱体、齿轮传动装置等一些重要部件。

抗紫外线老化塑料是将纳米级的TiO2、ZnO等无机抗紫外线粉体混炼填充到塑料基材中。这些填充粉体对紫外线具有极好的吸收能力和反射能力，因此这种塑料能够吸收和反射紫外线，比普通塑料的抗紫外线能力提高20倍以上，据报道这类材料经过连续700小时热光照射后，其扩张强度损失仅为10%，如果作为暴露在外的车身塑料构件材料，能有效延长其使用寿命。

抗菌塑料是将无机的纳米级抗菌剂利用纳米技术充分地分散于塑料制品中，可将附着在塑料上的细菌杀死或抑制生长。这些纳米级抗菌剂是以银、锌、铜等金属离子包裹纳米TiO2、CaCO3等制成，可以破坏细菌生长环境。据介绍无机纳米抗菌塑料加工简单，广谱抗菌，24小时接触杀菌率达90%，无副作用。

高效的抗菌塑料可以用在车门把手、方向盘、座椅面料、储物盒等易污垢部件，尤其是公交车扶手采用无机纳米抗菌塑料，可以大大减少疾病的传播，改善车上卫生条件。