試析環保新材料在汽車設計中的應用

齊兵

中國重汽集團泰安五岳專用汽車有限公司 山東省泰安市 271000

1 引言

新型環保材料主要是常見的環保聚脲涂料，具有施工工藝簡單、環保性能優越等特點，固化溫度低、耐腐蝕性、耐候性強等顯著優勢，可以方便后期維護與保養。在新環保材料應用時能夠根據不同的車輛類型的涂層性能要求，選擇不同的聚脲涂料，全面增強汽車底盤零部件的使用壽命。通過對汽車環保設計進行分析，總結環保新材料的具體應用策略，能夠推動我國汽車產業在環保全面發展，提高汽車的性能和質量，滿足人們的出行需要。

2 汽車環保設計的相關特點

在汽車行業快速發展的背景下，既要保證車輛設計的安全舒適，又要保障節能環保。在我國汽車數量明顯增多的背景下要重點加強對汽車的智能化設計，但是從目前來看對大多數的汽車進行車輛檢測之后，能夠發現大部分車內空氣質量存在明顯的污染問題，不僅會導致空氣環境污染，而且還影響人體健康，對社會的全面發展造成不良影響。如果能夠使車輛部件減輕1%，那么不僅能夠降低能耗，同時也能夠減輕荷載，避免過度磨損。在汽車工業快速發展中運用各種新材料和新技術已經成為必然趨勢，能夠確保汽車輕量化設計。汽車輕量化設計要根據產品結構進行全面優化，通過加工科技和輕量化材料的應用來減輕車輛的整體重量，既能夠保障車輛的安全性能和強度，同時也可以將汽車的整體質量降至最低，滿足汽車動力運行的需要。汽車輕量化的設計主要是針對部件、外形、尺寸優化，減少道路占用面積，同時也可以通過縮減車輛零部件的厚度來保障車輛的穩定運行，對車輛智能化結構模塊進行分體式或者局部增強設計應用新的節能環保材料來保障新材料的應用水平得到全面提高。

3 在汽車設計中常見的環保新材料

3.1 環保聚脲涂料

環保聚脲涂料是非常普遍的新型環保材料，不僅施工工藝簡單高效，而且具有良好的耐腐蝕性和耐候性，能夠根據不同的汽車零部件需求來選擇不同的聚脲材料。目前新型環保聚脲涂料主要用在轎車燃油箱、外壁涂裝以及汽車底盤漆生產線上。利用聚脲涂料可以直接在燃油箱外壁涂裝將燃油箱孔封堵，避免液體流入到油箱內壁。然后在表面噴涂聚脲底漆、烘干，通過遮蔽-打磨-擦拭-噴涂等一系列的操作之后，強化涂料主劑和固化劑的配比密度，平均分散，保證聚脲涂料的耐鹽、耐污和耐老化水平全面增強。

3.2 免噴涂塑料

隨著我國汽車產業的快速發展，對于汽車內飾也呈現出個性化的發展需要，而且這些汽車內飾對能源資源消耗量更高，在新時期要積極加強對汽車內飾的節能環保設計與優化。汽車防滑坐墊和汽車防曬膜等新型環保材料，可以利用免噴涂塑料、熱熔膠或者水性膠粘劑等。目前常見的環保型內飾塑料主要包括生物塑料，免噴涂塑料能夠在表面進行預處理，噴漆干燥，提高汽車內飾的耐候性、耐熱性和低氣味性低揮發性的要求，而且這些汽車內飾能夠實現100%回收，顯著降低了制造成本。無機納米復合材料的應用能夠添加各種無毒的化學穩定劑，減少塑料本身的OVC 殘留，具有更高的強度和抗紫外線能力。在生物塑料中通過淀粉之類的無毒害可再生原料為基礎，可以用于取代傳統的內飾塑料保證了環保的效果，汽車革是汽車的重要零部件，對汽車的美觀性和使用性會產生明顯影響目前常用的汽車內飾主要以人造皮革為主，這些人造皮革，無論是穿孔縫合線工藝還是觸感上，都能夠模擬真皮材料。這些人造皮革屬于熱塑性聚氨酯散熱性更強，在相同溫度環境下比其他材料的表面溫度低10℃以上，具有較高的透氣性和適水性，吸水率要比天然皮革慢15%，通過這些性能特點可以使得人造皮革比天然皮革更舒適環保。高分子環保材料也能夠在汽車座椅中應用密度更小，性價比更高，具有良好的耐熱性能，可以方便回收再利用，具有較強的抗沖擊性，耐高溫性和耐熱性等特點。除了材料之外，材料膠粘劑的應用也可以增強汽車內部環境的空氣質量，我國目前大多數的汽車內飾依然采用氯丁膠黏劑這類膠黏劑不僅易燃易爆，而且有毒。通過利用水溶性的聚氨酯膠粘劑來取代氯丁膠粘劑，不僅黏度低不含毒溶劑，而且不隨聚合物相對分子質量的改變，固含量高達50%，投資成本更低，無須溶劑回收以及防火防爆的設計，在汽車內飾門板儀表盤等多個部位進行快速粘接。

3.3 碳纖維材料

碳纖維材料是以碳纖維復合而形成的新型環保材料，碳纖維密度較低，在汽車設計中非常普遍，碳纖維材料具有良好的可塑性，而且整體的結構性能都具有十分顯著的優勢，整體的重量要比普通材料更輕，抗拉性能又超出普通金屬材料。在汽車設計中碳纖維材料廣泛應用可以根據自身的特性將碳纖維編織為布面，在具體的模具加工中將碳纖維進行交錯疊放，通過這樣的方式最終保證了碳纖維面板的光亮平滑。而且碳纖維具有極強的安全性，所以目前大多數的賽車都以碳纖維制作駕駛室保護裝置，在發生事故時也能夠減輕對駕駛人員造成的傷害。

4 車輛輕量化設計的基本途徑

采用最新的科學技術，關注重點部件，革新及優化設計工具、輕量化設計原理、把部件轉化成部件和復合材料，從而降低部件數目。對零件的結構進行優化，比如去掉過多的零件。新材料的應用可以使用低密度高強度的輕型材料，例如鋁鎂合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料，采用先進的制造技術和制造技術，要使零件的結構更加輕便，并選用多種不同的可替換材料。復合材料及非標材質。采用先進的機械設備和工具進行金屬材料成型，可以實現重量輕的產品。鋁合金鋁合金，最常用的是自行車的鋁合金車輪，這種材料比之前的鋼材要輕得多。鎂合金是一種合金，具有密度低、比強度大、彈性模量大、抗沖擊吸收性能好、抗沖擊能力好、抗有機物、耐堿性等優良性能。鈦合金中加入了其它元素。綜合性能好，密度低，比強度高。鈦合金具有4.51g/cm的密度，在鋁2.7g/cm和7.6g/cm之間。鈦合金的比強高于鎂鋁合金，其韌性接近于鋼。鈦、鈦合金的耐蝕性能優于不銹鋼。鈦合金比鎂鋁合金、鎂合金具有更廣泛的應用范圍，具有很好的加工能力和焊接能力。塑料的主要成分是由低密度、低導熱率、低導電率、耐酸性、耐堿性、老化的非金屬元素的有機化合物。塑料的力學性能可能會改變。汽車內部使用的是整體部件。由于碳纖維材料的航空技術發展，飛機所需的材料重量較輕，強度較高，而目前的金屬材料已不能適應航空工業的需求，逐漸替代了纖維。早期的碳纖維被廣泛應用于汽車行業，但是到目前為止，只有在超級跑車中才能應用到發動機罩，擋泥板，車頂，行李箱，車門，底盤等結構部件。其它新型材料除以上所述的多種不同的材料之外，還有很多輕質的、具有良好的特性的材料，但是目前汽車還沒有應用。陶瓷是僅次于金屬、塑膠的重要原料。盡管陶瓷材料的研制周期比較短，但是其力學性能和化學性能都很好。“汽車用的陶瓷材料，不但重量輕，還具有優良的耐熱性、耐磨性和耐腐蝕性。使用在引擎部件上，可以增加燃料的使用效率。蜂窩夾層是一種高強度、高硬度的航空材料，具有很高的市場價值，但是在汽車行業中的應用并不多。汽車的輕量化前景為了實現人類的可持續發展，新一代的汽車產品節能、安全、環保、輕量化，對新一代的汽車材料技術提出了更高的要求，是達到輕量化設計的重要途徑。當前，國內外各大汽車企業及材料業紛紛投入了大量的資金、物力，積極開展汽車技術與新材料的研發，并獲得了國家的大力扶持。然而，在輕型化發展的同時，也必須面對不能輕量化、不能忽視汽車安全的問題。國內汽車站點對47 個國家和合資企業的防撞梁進行了試驗，試驗結果顯示，大多數日本汽車廠商的防撞鋼梁厚度不符合國家規定。如果為了減少汽車的重量而以犧牲安全為代價，這種輕便毫無意義。選用的材料也要謹慎，技術要更成熟，整個汽車業都需要對這種技術給予足夠的關注和了解。所以，在未來輕量化是我國汽車發展的一個重要特點。

5 新能源汽車環保設計

新能源汽車與傳統型汽車之間的對比，傳統汽車以不可再生資源，如汽油、柴油等，而新能源汽車則以電能為主，其中最重要的動力是氫和太陽能。新能源汽車的排放相對較低，在節約傳統能源和環境保護方面具有十分重要的意義。新能源汽車的分類主要體現在動力創新方面。根據現有的研究成果，新能源汽車有三大類，混合動力汽車，采用電動機+引擎的方式，利用電力和燃油的消耗來產生電力。全電力車輛。電動車的應用是當前新能源汽車的發展趨勢，具有許多的優勢，但是要解決的問題有三個：電池的儲存，電池的壽命，以及電動車的價格。氫能汽車不像常規車輛那樣消耗大量燃料，排放大量污染物，而是排放出純凈的水。新能源汽車的新材料研發要想在現有的汽車中脫穎而出，就必須要在材料上進行突破。電機驅動材料是把能源轉換成車輛的主要動力，電池是一個非常關鍵的部件，用于車輛的電能存儲，與新能源汽車的電池技術相比，新能源汽車的驅動電機技術相對成熟。驅動電機的上游總成-傳動系統的控制部件仍然依靠進口。在各類驅動電動機中，永磁同步電功能夠較好地適應電動汽車的動力需求。目前，稀土資源，尤其是稀土中的釹，已成為新能源汽車驅動裝置的重要研究領域，對新能源汽車的研發和創新起到了至關重要的作用。新能源汽車總體設計趨向于小型化、大功率化，因此稀土可以很好地滿足這種需求。所以，混合動力汽車，電動汽車，燃料電池汽車都是由稀土元素驅動的。電動機是必不可少的，而且需求量很大。近幾年來，我國的電池工業發展迅速，并在世界范圍內形成了一定的影響。中國是世界上鋰離子資源最豐富的國家，在全球位列第三，是研究、開發、創新新能源汽車用鋰離子電池的重要原料。鎳氫電池的總造價約為3/5。電解質、陰極、陽極、膜片等四大材料構成了鋰離子電池的成本。目前國內以磷酸鐵鋰為主的新型電池陰極材料，而日本的新能源電池則以氧化鋰錳、鎳氫為主要原料。磷酸鐵鋰是美國新能源電池的主要正極材料。稀土元素是新能源電池的一部分。同時，稀土金儲氫技術在汽車混合動力汽車用鎳氫電池中的應用前景廣闊，環保、低污染、高安全。輕型材料車輛的性能對加速、爬坡、滾動阻力有很大的影響，但總體上與車輛的重量、能量消耗成反比關系。輕量化的車輛可以降低能耗的50%，降低行駛阻力可以降低三分之一的能耗，提高引擎的利用率可以降低50%的能耗。很明顯，在新能源汽車的研發與創新中，輕量化是一個關鍵的關鍵環節。目前，世界范圍內的汽車用輕量化材料包括鎂鋁合金，鎂合金，鈦合金，超輕型高強度汽車用鋼材及復合材料。鎂鋁合金在新能源汽車中得到了廣泛的應用。在采用鎂鋁合金的情況下，總體的重量減輕了20%左右。鎂鋁合金在新能源汽車的輕型設計中也占有重要地位。車架、儀表板、方向盤、發動機缸蓋、離合器等零件具有輕質、高強度、易加工等優點，有望在新能源汽車上得到廣泛的應用。增程式混合動力技術就是汽車引擎只能在行駛時產生電能，而不參與汽車的運行，也被稱為系列混合動力技術。長時間實際應用的結果表明，長距離混合動力技術的特點主要體現在以下幾個方面：一是以燃油為動力為動力，完全解決了電池不足的問題，延長汽車壽命長。二是汽車應用了該技術后可直接對車輛進行功率補償，不但要明確電機的輸出功率要求，還要滿足發動機輸出功率和動力電池的設計標準，符合汽車使用壽命要求。并聯式混合動力技術作為一種新型電力技術，已被廣泛采用，汽車發動機不僅具有發電功能，而且還起到了正常運行的作用。盡管這項技術是一項廉價的節能技術，但是目前已有大部分采用并聯混合動力技術的汽車，不能讓發動機和電動化裝置同時運轉。由于只有發動機在運行，因此與傳統技術相比，這項技術的節能效果并不明顯。使用混合動力混合動力技術，具有發電和駕駛同步功能，是并行混合技術與增程混合技術相結合的一種新型混合技術，主要利用動力分離器將汽車發動機的電能分離出來，從而使汽車發動機能夠發電。在驅使車輪前進時完成能量轉換，提高汽車節能效果。

6 結語

由于新材料具有良好的使用性能，而且成本更低，具備良好的環保性。在今后汽車設計中要積極主動運用好各種環保新材料，根據不同的環保新材料特點對車輛的內飾進行全面優化，真正實現車輛的輕量化設計，滿足汽車行業的發展需要。國內各大汽車廠商陸續推出新能源汽車，對新能源汽車的期望也越來越高。本文將從驅動電機材料、動力電池材料、輕型材料等角度對其應用進行研究，以期促進我國新能源汽車產業的快速、健康、持續發展。