新材料在新能源汽車中的應用研究

熊保勝

摘 要：隨著科學技術的不斷推進，新能源汽車成為汽車行業的發展方向和主要研發領域，不僅能減低汽車生產成本、提升汽車運行效率，還能夠降低環境污染、實現節能減排。與此同時新型材料的出現為新能源汽車的推廣帶來了優勢條件。目前新材料主要有碳纖維復合材料、鋁合金材料以及驅動電機材料等三種，其性能上各有優勢，也逐漸應用于新能源汽車的應用中，并且從其發展趨勢看，新能源車會逐漸加大與稀土行業的合作，從而獲取材料上的優勢地位。

關鍵詞：新材料 新能源汽車 應用策略

Research on the Application of New Materials in New Energy Vehicles

Xiong Baosheng

Abstract：With the continuous advancement of science and technology， new energy vehicles have become the development direction and main R&D area of the automotive industry， which can not only reduce vehicle production costs and improve vehicle operating efficiency， but also reduce environmental pollution and achieve energy conservation and emission reduction. At the same time， the emergence of new materials has brought advantages for the promotion of new energy vehicles. At present， new materials mainly include carbon fiber composite materials， aluminum alloy materials， and drive motor materials. They have their own advantages in performance and are gradually being used in the application of new energy vehicles. From the perspective of their development trends， new energy vehicles will gradually increase cooperation with the rare earth industry to obtain a superior position in materials.

Key words：new materials， new energy vehicles， application strategies

1 引言

當前，汽車行業使得人們的出行更加方便快捷，但是也造成了嚴重的環境污染。在低碳環保理念的影響下，新能源汽車應用而生。本文通過研究目前新能源汽車新材料的主要類型，對于其特點和性能進行了梳理，并且結合新能源汽車的發展現狀和市場前景，深入分析其發展趨勢，從而明確其研發重點，最后從幾種新材料的特性闡述了其在新能源車中的應用實踐，為新能源汽車的發展提供理論基礎。

2 新能源汽車中的新材料

2.1 碳纖維復合材料

碳纖維是指由碳元素構成的無機纖維，屬于一種特性的化學纖維，有著豐富的碳含量。從其內部結構來看，主要有石墨微晶等元素，通過化學工藝在高溫環境下將瀝青基、粘膠基等有機纖維進行裂解碳化而形成的。[1]碳纖維復合材料則是將碳纖維和其他材料進行混合而得到的，包括樹脂、金屬、石墨烯等材料在內。從材料特征上來說，由于含有較多的碳纖維，具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗沖刷等性能，而且其延展性較強，拉伸強度可以達到鋼材質的七倍，同時本身的質量較輕使得其在面對外部沖擊時有更強的抗擊力和承受力。正因為本身的優勢屬性，碳纖維復合材料在新能源汽車中逐漸被廣泛應用。

2.2 輕質鋁合金材料

隨著汽車輕量化趨勢日益明顯，各種輕量化材料逐漸應用于新能源汽車中。由于鋁合金材料在屬性功能上的突出優勢，使其成為汽車輕量化的首選材料。鋁合金是在基本元素鋁中加入多種合金元素組成的，銅、硅、鎂等都是其中的元素之一。作為工業中用的最廣泛的一種金屬材料，它的密度低，但強度比較高，塑性好。[2]在汽車的應用上，具有優良的沖擊吸附力、減重效果好等優勢。經過測試鋁的抗沖擊性能遠超過鋼材質，在汽車面臨碰撞危險時能夠起到良好的防護作用，而且汽車本身的體積容量不會受到影響，通過降低重心使得汽車的穩定性更佳;由于鋁的熱量傳導性好，在其表面有一層氧化膜，可以有效防止腐蝕，使得汽車的保存更持久，并且汽車內部的零部件也可以減輕重量，實現汽車輕量的雙倍效果。

2.3 驅動電機材料

由于新能源汽車的環保性、節約性、簡潔性等特點，其驅動源逐漸從燃油機驅動轉變為電動機驅動，減少了自動變速箱的使用。驅動電機具有內部結構簡單、技術已經逐步研發成熟、運行上相對順利等優勢屬性，被稱為中國新能源汽車在汽車工業“彎道超車”希望領域之一。[3]從新能源汽車的內部結構來說，除了驅動電機還有電池系統、整車控制系統這兩部分，但是電機驅動是汽車性能是否良好的決定因素，它能夠將電能直接轉換為機械能。驅動電機的主要特點有恒功率范圍廣，有助于提升汽車的變速性能;瞬時功率大、過載能力強;環境適應性強，能夠在短時間內迅速適應惡劣環境。

3 新能源汽車與新材料融合的發展趨勢

3.1 重點發展輕量化的復合材料

輕量化材料作為新能源汽車材料中的關鍵材料，能夠有效提升汽車的整體性能，實現新能源汽車的技術突破。在新能源汽車的研發上，能量消耗是目前面臨的主要技術問題，通過車體重量降低、儲能容量擴大等方式可以有效降低能耗，但是目前新能源車主要使用電池材料，該材料的能量儲存性較低、儲存時間短，技術上的難題在短時間無法突破。為此，輕量化材料的誕生，使得新能源車可以通過降低自身重量來實現性能的提升。這一材料的應用不僅能夠節能減排，而且對于汽車的穩定安全性也十分有利，同時目前可以利用的輕量材料類型較多。所以，從新能源汽車發展趨勢來看，輕量化復合材料是重點研究對象。

3.2 與稀土行業建立戰略聯盟

隨著新能源汽車的興起，各個國家都開始加大對該領域的投入力度，并且技術研發成果也逐步增加，各國在這方面的競爭逐漸加劇。總體上看，我國的新能源汽車研發進程日益加快，和國外的技術差距也慢慢減小，同時稀土資源作為新能源汽車研發的關鍵要素，也成為國家之間爭奪技術優先地位的戰略高地。稀土資源可以有效提升汽車的整體性能、降低生產成本，反之，新能源汽車對稀土資源的大量需求，能夠促使稀土行業的規模收益等實現進一步的提升，比如熒光級氧化銪、儲氫合金粉等相關的資源都會得到大力開發。[4]因此，在新能源汽車之間的技術競爭日益加劇背景下，我國汽車行業和稀土行業應該加快合作腳步，建立聯盟關系。

3.3 發展電池驅動的交通工具

按驅動源來劃分，新能源汽車目前主要有電動汽車和混合動力汽車兩種。根據最近幾年的銷售數據顯示，雖然總體上新能源汽車的生產量和銷售量都普遍較低，但是電動汽車的銷量卻明顯高于混合動力汽車，尤其是自行車、摩托車這兩種類型的電動車銷量呈現上升趨勢。這一市場狀況產生的主要原因是電動車出行方便、成本低、環保性好，無形中迎合理論年輕人的消費需求。盡管目前相關的法律中限制電動車的使用，但是由于市場需求巨大，人們逐漸將其使用轉為“地下經濟”。鑒于電動汽車良好的市場前景和巨大的消費人群，如果將電動車的推廣作為新能源汽車推廣的先行布局，先將市場打開再逐步向其他類型的汽車進行擴展，能夠促使新能源車的應用腳步迅速加快，從而占據市場領先地位。

4 新材料在新能源汽車中的實際應用

4.1 新能源汽車中的碳纖維材料應用

首先，碳纖維材料可以應用于汽車車身。汽車行業在傳統的生產模式中，主要應用重金屬材料來組裝車身，使得汽車本身的重量加大，整體看上去比較笨重。隨著碳纖維復合材料應用于汽車生產中，由于其密度小、重量輕等優勢屬性可以使汽車的重量減少一半以上，而且碳纖維材料的可塑性強，可以通過汽車工藝的處理減少汽車內部的復雜結構設置，實現車身的一體化，不僅降低制作成本還有利于縮短制作時間、提高生產效率。其次，在汽車裝飾上，由于碳纖維材料有良好的能量吸收性，可以使汽車在面臨撞擊時有更強的耐力，減輕震動帶來的傷害，增強車體的安全性和穩定性;同時耐腐蝕性好，使得汽車內飾能夠有效避免各種外界物質的侵襲造成老化，促進汽車內部材料的完好保存。[5]

4.2 新能源汽車中的鋁合金材料應用

第一，在汽車車輪上的應用。運用鋁合金材料制作而成的車輪能夠減少車輪滾動造成的橫向或縱向摩擦，可以有效對抗外部的沖擊和腐蝕，而且制作成本低、循環利用率高。在輪胎自身溫度上，相比于普通的鋼材質輪胎，鋁合金可以使溫度降低十幾度，使得輪胎的使用周期得到相應延長，也保證了汽車長期駕駛過程中的安全性;同時還可以減輕掛件重量，促使剎車系統更加靈活輕便，減輕其負擔。第二，在熱交換器的應用。依靠燃料系統支撐的新能源汽車承載熱量較大，汽車的熱能必須借助于高效的散熱器來進行釋放。鋁合金材料應用于新能源汽車中，可以通過設置熱交換器實現水冷散熱，使得大功率的新能源汽車也可以實現熱量的及時散發。

4.3 新能源汽車中的驅動電機材料應用

新能源汽車在驅動電機技術的研發上已經取得了不錯的成績，目前國內的整車需求已經基本可以覆蓋，只有少部分的上游部件需要國外進口，像汽車的內部控制零件等。這一成果的重大突破主要源自于我國的“863”重點科技攻關項目。目前的驅動電機中，主要包括直流電動機、交流異步電動機、永磁式電動機以及開關磁阻電機。其中永磁式電機的性能和驅動力相對較好，并且應用性強。在該類型的電動機中永磁材料起著關鍵核心作用，但是永磁材料的價格較高，會使得汽車的整體制作成本增加。我國有著儲量豐富的稀土資源，通過研發其中的釹元素可以有效滿足新能源汽車的設計需求。從全球范圍來說，豐田、三菱、本田等知名的汽車品牌都投入大量資金物力人力來研發稀土永磁材料。[6]

5 結語

新能源汽車作為一個新興領域，其技術研發、實際應用等都還處于初級階段，其中存在很多不足和困境。新材料的出現標志著新能源車的制造有了較大的進展，如果能夠將其應用于實際生產中，將會推動新能源汽車的研發實現突破性發展。為此，我國汽車行業要抓住機會，深入探索，促進新材料與新能源車的融合。

參考文獻：

[1]蔚亞，康帆.碳纖維復合材料在新能源汽車中的應用形式與進展[J].粘接，2020，41（04）：86-89+110.

[2]夏建華. HH公司輕量化材料產品在新能源汽車市場的營銷策略研究[D].廣西師范大學，2019.

[3]劉偉德. 輕質熱界面材料在新能源電動汽車中的應用[A]. 中國汽車技術研究中心有限公司、中國汽車工程學會、天津市西青區人民政府.“創新材料引領汽車發展新機遇”——2019中國車用材料（西青）國際論壇論壇資料[C].中國汽車技術研究中心有限公司、中國汽車工程學會、天津市西青區人民政府：中國汽車技術研究中心有限公司，2019：16.

[4]張立侃.碳纖維復合材料在新能源汽車行業中的應用[J].汽車與駕駛維修（維修版），2017（06）：140-141.

[5]宋坤.新材料在新能源汽車中的應用[J].科技資訊，2017，15（35）：29-30.

[6]李龍，夏承東，宋友寶，周德敬.鋁合金在新能源汽車工業的應用現狀及展望[J].輕合金加工技術，2017，45（09）：18-25+33.