汽车新材料的应用现状及发展趋势

2022-05-11 15:35:05 | 浏览次数：

摘要：汽车的发展水平在一定程度上反映在新材料的发展和应用水平上。本文从结构性和功能性两个方面介绍了汽车新材料的现状和发展趋势，使我们对汽车材料有一个较为全面的了解。最后提出了我国汽车新材料发展的几点建议。

关键词：汽车；新材料

一、前言

今年上半年，我国累计生产汽车154.83万辆。比去年同期增长30.14%，销售汽车达到154.35万辆，比去年同期增长28.91%，预计全年将达到近300万辆的生产和销售规模。汽车工业已经成为我国经济发展最快的行业之一。汽车工业集先进的制造技术和先进的材料科学于一体，材料科学的发展推动了汽车工业的发展。作为汽车工业发展基础条件之一，新材料的开发和应用是保证我国汽车工业跟踪和学习世界先进技术的前提。同时，汽车的发展也对新材料的开发和研究提出了更高的要求。

一部汽车的成功制造必然是多种材料的综合利用以及先进制造工艺的有效采用。表1中列出了有关资料上公布的美国汽车材料构成情况。

随着世界汽车工业整体水平的快速提高，对于新材料的需求越来越强烈。表2中列出了美国轿车新材料的应用情况。

先进的制造技术使各种特殊材料和新材料成功地应用于汽车工业成为可能。如先进的粉末冶金技术、激光加工技术以及等离子、电子束加工技术使超硬材料的加工、异种材料的焊接成为可能，从而使一些新型材料成功地应用于汽车工业、提高汽车的整车综合性能变成了现实。

二、结构性材料

1、轻质材料

应用轻质材料可以大大减轻汽车的总体重量，这样既可以降低汽车的制造成本，也可以大大降低汽车行驶的油耗、提高单位燃油的有效行驶里程。目前，在汽车上使用的轻质材料主要有两类：一类是金属类轻质材料，如铝合金、钛合金、镁合金等；二类是非金属轻质材料，如塑料(包括工程塑料)、非金属复合材料如玻璃钢等。

(1)金属类轻质材料

● 铝合金

铝及铝合金的密度大致在2.7gcm³，约为钢的13。一般在汽车上使用的都是铝的合金制品。铝合金作为汽车材料有许多优点：第一是重量轻，在满足相同使用和机械性能条件下，铝比钢减重60%；如奥迪A8轿车采用铝质车身后，整车质量减少了15%，由于质量的减小，油耗也随之减小，奥迪A8的油耗减少了8%以上；第二是改善了零件的加工工艺性能，相对降低了制造成本。铝制零件通常有六种制造方法：铸造、锻造、板料冲压、挤压、粉末冶金、超塑性成形。良好的冷、热成形性，使得加工装备简化、工艺路线缩短，从而使制造成本大幅度降低；第三是铝制汽车零件不需作防锈处理，由于铝及铝合金能形成一种特殊的保护膜，所以一般不需要作表面涂覆等防锈处理；第四是铝制汽车零件具有较强的吸能性，在碰车时能比钢制零件多吸收50%以上的冲击能，提高振动的阻尼，从而减少了对人员的伤害，提高安全性和乘坐的舒适性。目前，在汽车上使用的铝质零件除传统的车轮盖，空调系统、保险杠、座椅、换热器、油管等方面使用以外，高强度铝合金广泛应用于汽车的连杆、摇臂、凸轮座等零件。由于铝及其合金的原材料价格比钢高得多，制约了其在汽车上更大范围内的使用。

● 镁合金

镁的密度为1.74gcm³，是铝的23。作为轻量化材料镁合金零件的尺寸稳定性更好,其对振动的阻尼能力优于铝和钢，镁通常作汽车的仪表板衬底和横梁、座椅架、方向盘柱、发动机缸盖、变速器壳体、进气歧管等。在50年代至60年代，由于镁合金的价格不高，德国大众公司的甲壳虫汽车大量使用镁合金作为结构零件。近年来，开发出了高纯度耐腐蚀镁合金AZ91D，AZ91E和高延展性镁合金AM20，AM50等，它们的性能价格比有了很大提高。但镁合金的制造技术、再生技术都不如铝，因此它在汽车上的利用价值没有铝高，但从材料学角度上看，镁合金是汽车减重最具潜力的轻质材料之一。

● 钛合金

钛的密度为4.5gcm³，不仅质轻、强度高，而且耐腐蚀性能非常好，但钛难于从矿砂中提炼价格很贵。钛主要用于汽车发动机中，如气门、气门座、气门弹簧、摇臂、连杆、离合器板以及其他如转向齿轮、车轮、紧固件。必须耐腐蚀、耐损伤的车底覆盖件，侧视镜架等也可以用钛合金制作。钛的另一种应用是钛镍形状记忆合金，该合金的形状改变可通过加热来恢复。目前来说，由于钛的价格极贵，一般汽车上使用较少，主要用于赛车上。

(2)非金属轻质材料

非金属材料应用于汽车工业是各国政府大力倡导的政策，在最新的汽车技术的发展过程中，非金属材料能够满足重量轻、防腐蚀等多重优点。在汽车上应用的非金属轻质材料主要是塑料(包含工程塑料)、玻璃钢及其它一些非金属复合材料等。

● 塑料

塑料的主要成份是树脂，其密度小(约为1.0gcm³左右)成形容易，还具有良好的表面着色、电镀、植绒、铆接、耐腐蚀等性能。在国外，由于塑料品种多，价格低廉、质量稳定等特点在汽车上得到了广泛应用。据有关资料显示，克莱斯勒-奔驰公司利用废旧塑料为原料，研制成功塑料车身，预计明年将推出用该车身装配的整车。最近几年，我国一般汽车上塑料件占整车质量的比例从原来的5%左右上升到了12%～18%以上。开发的一些轿车上塑料件已达20%以上。从某种程度上讲，塑料在汽车上的用量代表了汽车的设计水平。塑料在汽车上的应用一般是分三大类：功能件、外装件和内饰件。主要应用于汽车装饰件、仪表板、方向盘、座椅、油箱、保险杠、覆盖件、挡泥板、车轮装饰、手柄、行李箱等，在塑料中以聚丙烯用量最多，约占轿车塑料用量的70%以上。

● 玻璃钢

璃钢实质上是一种树脂基复合材料，玻璃钢作为汽车零部件用料，主要优点：第一是质量轻，可以减轻整车质量；第二是可以吸收较多的冲击能量，减少在撞车事故发生时车辆和人员的损害程度。同时，由于吸振功能强，振动的衰减性能优于金属，可以达到降低噪声和震动的效果，以提高舒适性；第三是制造工艺简单，可以进行灵活的设计及修改，降低产品的开发设计周期和生产成本；第四是具有良好的耐腐蚀性。据有关资料统计，1994年全世界玻璃钢的产量是350万吨，其中汽车用玻璃钢超过了110万吨。在一些发达国家，轿车或其它商务车辆上玻璃钢所占的比例越来越大。我国前几年有关厂家陆续开发出玻璃钢整体车身轿车，并取得成功。目前在轿车、吉普车以及卡车上使用玻璃钢部件也逐步增多，并形成了像北京汽车玻璃钢制品总公司这样专门生产汽车玻璃钢零部件的厂家。随着电动汽车(国家863攻关计划)研究和开发的不断深入，研究人员将更多地用玻璃钢替代金属材料以达到节能的目的，提高电动汽车行驶里程。可以预计，今后玻璃钢在汽车上所占的比例将会越来越大。

2、高强度材料

汽车上使用的高强度材料主要是指在汽车上使用的高强度钢。高强度钢屈服强度σS≥210MPa，超高强度钢屈服强度σS≥550MPa，是普通冷轧钢板的1.5～4倍。高强度钢板有三种类型：无间隙原子钢（IF钢）、烘烤硬化钢（BH钢）和相变诱发塑性钢（TRIP钢）。IF钢含少量的锰、磷、硅、硼合金元素，但碳氮含量极低，钢质纯净，晶粒细小，r，n值较高，具有良好的深冲特性。BH钢可通过成形后的烘烤来消除残余应力和提高强度。TRIP钢含有碳、硅、锰合金元素，它具有优异的成形性和极高的屈服和拉伸强度，在汽车上应用还只是刚刚起步。高强度钢取代普通钢板可以大大减小材料的厚度降低整车质量。尽管高强度钢具有极高的综合性能，但在我国高强度钢的生产方面与国际先进水平还相差很大，大约只能满足不到13的品种要求。因此。要提高我国的汽车制造水平，就必须提高我国钢材质量的水平，增加品种。

3、金属基复合材料

金属基复合材料是在金属的基体内加入非金属纤维、颗粒或晶须，并使其均匀地分布于金属基体内制成的复合材料，它同时具有几种成份材料的综合性能。金属基复合材料原来主要应用在汽车发动机的活塞及轴瓦、气缸体、轴承及滑动体上，现在随着高性能汽车的不断开发成功，金属基复合材料正在其它不同的部位和机构上得到成功的应用。如武汉理工大学开发成功的金属基粉末增强塑料齿轮、轴承和壳体零件以及金属陶瓷纳米复合材料都在不同的汽车上得到了成功的应用。金属基体复合材料一般要达到两个目的，一个是通过添加一定的材料起到强化基体的作用。另一类材料是为了改善材料的物理性能，如提高部件及整车的抗振性或改善摩擦学性能上。金属基复合材料有两种类型：一种是颗粒增强金属基复合材料，另一种是纤维增强型复合材料。金属基复合材料的制作和复合过程很多，最常用的方法是粉末冶金法。影响金属基复合材料综合机械性能的主要因素是弥散强化相的数量、尺寸、形状和分布。目前，金属基复合材料在汽车上的应用越来越多，如美国通用汽车公司用杜拉坎铝基复合材料制造刹车片取得了满意的结果，也用该种材料制造成功了后刹车筒，与铸铁刹车筒相比，它可使汽车悬挂系统重量下降，约50%。此外，这种新材料刹车筒还可使噪声大幅度下降操纵性能显著改善，并有良好的热学性能。美国通用汽车公司用金属基碳纤维增强复合材料制造一种最新推出的概念车主要零部件，使这种概念车登上了前所未有的燃料节约高峰。

三、功能性材料

1、高性能磁性材料

伴随着智能汽车和电动汽车研制水平的不断提高，汽车上使用磁性材料的地方将达到一个较高的程度。据有关资料介绍，某些汽车上磁性材料使用达到40处以上，其中主要用于电机、电动机和传感器等方面。从世界范围内，高性能磁性材料的使用是随着汽车的整体水平的提高而增加的。要满足智能汽车和电动汽车的功能要求，就必须开发出高性能的磁性材料。高性能的磁性材料主要是指高性能的永磁材料，它是汽车用磁性材料的发展方向之一。高性能永磁材料主要有三大优点：第一是体积相对较小，可以使复杂的系统变得简洁，在保证输出特性相同的情况下整机的体积、质量可减少30%以上，或者相同体积、质量功率增加50%以上。第二，高性能永磁材料没有激磁损耗，不需要激磁机构，用于制造汽车发动机系统，可以满足高可靠性、低能耗的要求。第三，高性能永磁材料具有较高的能量密度，用于电动汽车或智能汽车中的机电一体化部件可以有效地提高部件的效率。目前高性能永磁材料主要用于汽车起动机、车门锁、磁化节油器、电磁阀、防抱死系统(ABS)电机，电动汽车的电动机，油泵电机、电动水泵、电动转向装置、步进节流装置、音响系统、空调系统，以及各种传感器、汽车防盗系统等。预计随着汽车向智能化、电动化、高档化的方向发展，高性能磁性材料将构成汽车材料的重要组成部分。

2、摩擦材料

摩擦材料是汽车制动器、离合器和摩擦传动装置中的关键材料，它性能的好坏直接关系到汽车制动系统的可靠性和安全性。摩擦材料的发展过程经历了两个阶段，即石棉化和无石棉化阶段。因为石棉可能产生一些致癌物质，现在石棉摩擦材料已很少使用，主要使用的是无石棉摩擦材料。其主要品种有无石棉无机摩擦材料，烧结摩擦材料，纸基摩擦材料，石墨基摩擦材料。摩擦材料按照使用条件又分为干式和湿式两种类型各有优点，目前世界上开发和研究的趋势是：一是在材料成份方面使用混杂纤维，如半金属摩擦材料中常用的复合纤维有钢纤维与铜纤维，钢纤维与碳纤维等。混杂使用两种或两种以上纤维，能够充分发挥各自纤维的优点。二是采用先进的制造工艺和制造技术以达到缩短工艺流程，提高材料性能的目的。如喷涂法烧结技术，金属纤维的软化处理技术，非金属纤维的蓬松处理和浸渍处理技术，以及一些原材料的预处理和成品的后续处理技术都大大提高了摩擦材料的产品性能、质量及生产效率；三是在摩擦材料的使用上进行结构优化设计，探讨一些新的发展思路，保证摩擦材料工作在较好的条件下并能发挥其最大的综合性能。

3、尾气净化材料

随着世界各国在汽车排放上的标准要求越来越高，汽车尾气净化装置作为发动机外唯一的污染控制措施已被全球汽车制造商认真对待。尾气净化装置由两部分组成，即催化剂和催化剂载体。从净化催化装置问世以来，已经成功地发展了几代产品，特别是催化剂载体材料和结构。据有关学者最近介绍，尾气净化催化装置不仅有很强的尾气净化功能，而且还有很好的消声功能。因此，预计在内燃机作为汽车主要动力的相当长的一段时间内，尾气净化催化材料和载体将是重点注意的研究对象之一。

(1)载体材料

载体是影响尾气净化装置的关键因素之一。它从结构上经历了两个阶段：颗粒状和整体蜂窝状结构。颗粒状结构载体材料的主要成份是活性氧化铝(r-Al₂O₃)。整体式蜂窝状载体材料目前正在使用的主要有两种：一种是陶瓷材料，主要成份是堇青石。另一种是金属，主要是一些不锈钢和其它合金材料。载体材料在机械物理性能(强度、韧性、密度、导热性、抗热震性、抗氧化性、热容量、热稳定性、耐腐蚀性、气阻性)和几何结构(孔隙形状、孔隙大小、孔隙度等)两方面都应满足特定要求。尽管颗粒状载体材料比表面积大(200～300mm²/g)，力学强度高(80N粒)，价格低廉，装填容易，制造简单，与活性组分的亲活性较好，比较适宜于用作固体催化剂载体，但是由于其热容量大，气阻大，对发动机排气造成很大的影响，在高温腐蚀性气流的冲刷下，磨损很快，使用寿命短，一般很少使用。目前主要使用的是蜂窝状整体陶瓷载体和金属陶瓷载体材料。陶瓷载体具有表面积大、耐热性好、热膨胀系数小、尾气排放阻力小、发动机功率损耗小、制造成本低廉等优点，但也存在导热性差、热容量大、催化转化反应起燃时间长、净化效果差以及强度低、韧性差容易受到冲击破坏等缺点。金属载体材料--包括金属波纹板卷筒和金属丝网两种金属载体材料。这种金属载体材料具有强度和韧性高、导热性好、比表面积更大、耐震性强、起燃快速等优点，但存在着高温抗氧化性差、制造成本高等缺点，而且在使用中由于热容量小经常出现烧穿现象，以至于严重影响尾气净化效果。有鉴于此，国内外许多研究机构正在研究一些新型载体材料，如武汉理工大学相关学者正在研制一种粉末烧结成形的金属-陶瓷复合多孔载体材料。其主要思路是：将金属粉末压制并烧结制成多孔骨架，然后在金属粉末多孔材料中浸透陶瓷材料并使用一定的工艺使两种材料进行复合，从而最终制成载体制品。这种载体材料可以克服金属和陶瓷两种载体材料的不足，集成了它们各自的优点。预计将成为金属和陶瓷载体材料的替代品，提高汽车尾气净化装置的净化效果和使用寿命。

(2)催化材料

催化材料即催化剂是涂覆(或其它方法)在载体上的一些贵金属或稀土元素。在一定温度条件下尾气中需要净化的污染性气体(如CO_x或NO_x)在催化剂的作用下产生反应，分解排放出对大气无害的气体。因此，催化剂是保证理想的尾气净化效果的关键条件。催化剂应满足与载体结合力强、工作温度范围宽、热膨胀系数小、起燃温度低、高温热稳定性好的要求。传统上一般采用贵金属铂（Pt）、钯(Pd)、铑(Rh)等贵金属作为活性成分。尽管催化效果良好，但是由于：汽车排放标准日益严格，发动机燃烧工况等发生了新的变化，以及贵金属资源稀少，因此发展新一代催化材料显得非常迫切和重要。目前，从世界主要汽车制造厂家的情况看，新型催化材料主要有两大发展趋势：一是发展新型钯催化材料。因为钯的价格远低于铂和铑，且储量相对较为丰富。福特汽车公司将钯与碱金属及稀土氧化物结合，采用特殊工艺使材料具有特定结构从而使高温下的活性得以稳定，这种活性有助于水煤反应，通过产生H₂来还原NO_X。同时研究发现，MoO₃和WO₃的加入能改善Pd对NO_X还原反应的选择性，氧化镧的加入也能提高Pd的催化活性。二是发展在富氧条件下的催化材料。为了提高燃烧效率，近年来发展了贫燃状态下的汽油发动机，空燃比由原来的14.6提高到22(节约燃料15%)，在这种条件下CO和HC减少，NO_X和O2的浓度增大，使传统的三元催化材料不能在富氧条件下净化NO_X排放物，因此开发出了NO存储还原型三元催化材料和HC选择还原催化材料，前者是由贵金属、碱土金属和稀土氧化物组成。三是发展稀土钙钛和少量的贵金属相结合的催化剂，这种催化剂可以显著提高催化剂的抗铅中毒能力并减少贵金属的使用量。这一点在含铅汽油还大量存在的今天尤其重要。

四、建议和结论

伴随着我国汽车工业的全面发展，社会拥有量的大量增加，汽车在国民经济中的地位显得越来越重要。汽车新材料的发展和应用是促进汽车工业技术发展的重要因素。从发展汽车新材料来说，以下三点尤为重要：

(1)汽车材料要适应整车向智能化、电动化方向发展的基本要求，大力开发新型材料；

(2)汽车材料要围绕整车低能耗、低排放的要求，开发新型结构材料和功能材料；

(3)应该跟踪世界先进的汽车新材料的发展趋势，开发自主知识产权的新材料，通过优先发展汽车新材料来提高材料工业的整体水平。

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