汽車新材料的應用及發展趨勢

文 / 本刊記者 鄭雪芹

“汽車材料新動態”主題論壇現場

在“雙碳”目標下，供應鏈領域實現碳減排的關鍵在于采用新技術、新材料、新工藝，從汽車零部件的開發設計到研究試制，從批量生產到原材料選用，幾乎各個環節都可以深入挖掘潛力，減少碳排放。

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。

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。在10月16日由中國汽車工業協會、重慶兩江新區管理委員會聯合主辦的“2021中國汽車供應鏈大會”之主題論壇“汽車材料新動態”上，多位來自業內的專家學者和企業高層，分別基于自己的研究領域對目前汽車新材料的應用和發展做了深度分析，主要集中在碳纖維復合材料、高性能纖維、汽車用輕合金材料、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，并對汽車材料的工藝技術發展及應用進行了闡述。

中國汽車工業協會副秘書長羅軍民認為，我國汽車工業的輕量化、智能化、電動化、網聯化具備先發優勢，但是在關鍵材料上還存在短板，需要原材料等基礎產業的支撐，并與汽車領域之間架設有效“橋梁”，促進材料與汽車的融合創新，支撐汽車工業的高質量發展。

碳纖維復合材料

東華大學教授、纖維材料改性國家重點實驗室副主任余木火和中國石化儀征化纖有限責任公司、中國工程院院士蔣士成，都對碳纖維復合材料的應用和進展進行了研究。

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，隨著碳纖維產業規模不斷擴大，技術不斷進步，產業鏈不斷完善，成本不斷降低，CFRP將成為汽車輕量化的重要途徑之一。

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。

從研發進展來看，我國已經突破量產車型應用碳纖維的技術經濟瓶頸，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，如國新全碳纖維車身及其自動化生產線，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，都已建立了低成本自動化量產零部件應用示范生產線。

蔣士成院士建議，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

作為碳陶復合材料的研發機構之一，中南大學教授、湖南世鑫新材料有限公司董事長肖鵬團隊代表，介紹了碳陶復合材料在乘用車制動盤上的應用及發展，并對目前存在的問題提出了建議和解決方案。

乘用車碳陶制動盤目前所存在的問題是高成本。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這個領域。實現碳陶盤的低成本制備，建議可以從以下五個維度著手。

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。

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，而熱工藝又包含CVI增碳工藝和反應熔滲陶瓷化工藝，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。

第三是智能化方面，因為碳陶盤的加工不同于傳統金屬盤，陶瓷組分的存在使其加工難度大和加工效率低。目前國內碳陶盤的機械加工多為非智能化生產，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。

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。中南大學研究團隊目前正在開發近尺寸預制體成型工藝，該工藝可以直接制備出環形坯體和通風散熱結構，這樣就可以大大提高原材料的利用率，同時還可以減少制動盤的機械加工量，大幅度降低制備成本。

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。

車用改性塑料

除了上述碳纖維復合材料和碳陶復合材料外，還有其他多種車用改性新材料。金發科技股份有限公司、汽車材料全球創新中心主任周英輝介紹了汽車行業改性新材料的發展趨勢。

從車用塑材開發的新需求來講，集成了車輛的使用階段，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。其中輕量化的技術特點是首先有一個薄壁化的工程，比如保險杠慢慢過渡到更薄的，既能實現高減重，又能實現生產節拍的提高。

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。

增強材料也有一些對高性能玻纖使用的提升，可以有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。

納米注塑，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。

“汽車材料新動態”主題論壇嘉賓合影

汽車用輕合金材料

上海交通大學研究員、輕合金精密成型國家工程研究中心副主任蔣海燕代表中國工程院院士丁文江團隊，針對其在鋁合金和鎂合金等汽車用輕合金材料的研究成果，提出輕量化是解決能源和環保等全球性問題的必然選擇。

對于車身結構件來說，其要求優異的強度與塑性，對材料要求較為嚴格。然而目前的車身零件仍以鋼和鐵制件為主，工藝以鍛造和沖壓為主，而鋁合金車身結構件需滿足“三位一體”的性能要求。丁文江院士團隊研究發現，對于目前的應用來說，突破性的技術路線當屬“Silafont?-36合金+高真空壓鑄+后續T7熱處理”。

目前壓鑄鋁合金車身結構件存在的問題是“強度低+高真空+熱處理變形”，解決途徑為“非熱處理高強高韌合金+簡單可控壓鑄工藝”。因此，開發非熱處理高強韌壓鑄鋁合金，拓寬其在承力結構件上的應用，對鋁合金材料提出更高的要求。

另一個汽車用輕合金材料——鎂合金具有比重小、比強度高、比剛度高、吸振降噪、電磁屏蔽、容易回收等多個優點，汽車上可采用鎂合金的零部件可達60~100個，從變速箱外殼、汽缸蓋，到儀表板、轉向架，廣泛應用于傳動、引擎、車體、底盤等系統的多個部件。

隨著鎂合金新材料和成型新技術的進展，鎂合金在汽車、3C產品、手動工具等領域的需求將會不斷增多。同時，隨著人們環境保護意識、低碳經濟要求的不斷提升和我國節能減排力度的不斷加強，鎂合金及鎂加工產業將迎來其發展的黃金時機。

輪胎用綠色低碳橡膠材料

近幾年，隨著汽車產業的發展和科技的進步，對輪胎的綠色化提出了要求，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，必須要實現綠色化。

北京化工大學教授王朝團隊經過多年的研究，針對輪胎用橡膠的碳排放問題給出了一些應對策略。其中最重要的是通過原材料控制，來達到降低碳排放的目的。

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幾條輪胎，并獲得了比較高的關注。

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。在之后的研究中，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。

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出的輪胎，是全球首批次的可降解輪胎。因為現在所有橡膠材料都是不可降解的，這是目前唯一可降解的橡膠材料，而且是北京化工大學獨立自主開發的。

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

東風汽車集團有限公司技術中心質量驗證中心非金屬材料室室經理熊芬結合自身的實踐，對“雙碳”背景下的汽車新材料發展趨勢進行了分析。

“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，介電材料、導熱材料、電磁屏蔽的開發也提上了日程。

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。未來肯定要打造一些個性化的需求，所以在智能方面的材料技術，以及涂裝的材料，特別是一些雙阻力的材料，或者高減震的材料，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，今后的發展方向是輕量化，在這方面也提出了比較高的要求?，F在輕量化方面還是主要圍繞上裝和下裝的開發，比如混合車身、鋁材料底盤。

另外，在車內內飾部分，因為要提升一些舒適性，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。

熊芬認為，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。