新材料的开发

新材料在汽车开发中的应用引言:本人虽然是学电子信息的,但对材料略有兴趣,而且坚信新材料的应用在汽车领域中很有前景,材料在汽车中应用包扩车身用金属材料,车身用非金属材料,衬垫材料,涂料材料等下面我来介绍一下新材料的开发作用和应用车身用金属材料1.镁合金和钛合金镁的密度为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。钛的比重为4.6g/cm3，仅是铁的1/2，但强度和硬度超过了钢，且不易生锈。用钛合金铸造的汽车发动机部件更轻、更坚固和更耐腐蚀，钛合金车身可以承受更大的作用力。2.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。美国轿车材料构成要有含磷冷轧钢板、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，经烤漆后强度可进一步提高。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。2.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。铝合金已成为仅次于钢材的汽车用金属材料，能够为汽车提供各种铝合金铸件、冲压结构件和拉制的铝型材。铝合金主要用于制造发动机缸体、活塞、进气支管、气缸盖、变速器壳体、矫车的骨架、车身、座椅支架、车轮等部件。4.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。非金属材料5.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。6.工程塑料与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。二十世纪七十年代起，以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。福特公司开发的LTD试验车，塑料化后的车身取得了轻量化方面的明显成果（见表2）。福特LTD试验车的轻量化效果中国工程塑料工业普遍存在工艺落后、设备陈旧、规模小、品种少、质量不稳定的状况，而且价格高，缺乏市场竞争力。工程塑料在汽车上的应用仅相当于国外上世纪八十年代的水平。如上海桑塔纳轿车塑料用量仅为2.86kg/辆，红旗CA7228型轿车为2.4kg/辆，而日本轿车平均为14kg/辆，宝马则更高，为35.64kg/辆。但这种局面将很快被打破，由上海普利特复合材料有限公司投资新建、国内最大的汽车用高性能ABS工程塑料生产基地日前在上海建成投产。此项目引进了世界先进的工程塑料生成线和试验检测仪器等设备，形成了年产15,000吨高性能ABS工程塑料的能力。工程塑料用于汽车可实现轻量化和节能，且可回收和循环利用。目前六大类的塑料：PP、PUR、PVC、ABS、PA和PE在汽车上得到广泛的应用，通常用于制造车身覆盖件、车门门褴、车身内外装饰件和水箱面罩、保险杠和车轮护罩等。7.高强度纤维复合材料复合材料是一种多相材料，是由有机高分子、无机非金属和金属等原材料复合而成。目前玻璃纤维增强树脂复合材料和碳纤维增强树脂复合材料在汽车上已经获得成功的应用。玻璃纤维增强树脂复合材料耐腐蚀、绝缘性好，特别是有良好的可塑性，对模具要求较低，对制造车身大型覆盖件的模具加工工艺较简易，生产周期短，成本较低。在矫车和客车上，采用玻璃纤维增强树脂复合材料制造的矫车车身覆盖件、客车前后围覆盖件和货车驾驶室等零部件。高强度纤维复合材料，特别是碳纤维复合材料（CFRP），因其质量小，而且具有高强度、高刚性，有良好的耐蠕变与耐腐蚀性，因而是很有前途的汽车用轻量化材料。碳纤维复合材料在汽车上的应用，美国开展的最好。二十世纪八十年代后期，复合材料车身外覆件得到大量的应用和推广，如发动机罩、翼子板、车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等，甚至出现了全复合材料的卡车驾驶室和轿车车身。据统计，在欧美等国汽车复合材料的用量约占本国复合材料总产量的33％左右，并继续呈增长态势，复合材料作为汽车车身的外覆件来说，无论从设计还是生产制造、应用都已成熟，并已从车身外覆件的使用向汽车的内饰件和结构件方向发展。图2为法国SORA公司为雷诺汽车公司开发的全复合材料轿车车身和重型卡车驾驶室。上海通用柳州汽车公司和东风公司计划推出全复合材料车身的家庭用小轿车。8.陶瓷材料由于陶瓷本身具有的特殊力学性能以及对热、电、光等的物理性能，陶瓷材料特别是特种陶瓷在汽车上的应用日益受到人们的重视。我国已成功研制钛酸铝陶瓷-铝合金复合排气管、氮化硅陶瓷柴油机涡轮增压转子和球轴承等汽车部件。汽车的构造材料可反映人类所应用材料的技术水平。目前，6类主要材料如钢﹑铁﹑塑料﹑铝﹑橡胶﹑玻璃共占轿车质量的90%，其余10%为其他多种材料，包括有色金属（铜、铅、锌、锡等），车中装备的液体（燃油、润滑剂、其他油品和水基液等），油漆、纤维制品。如富康轿车用料为钢55%，铸铁12%，塑料12%，铝6%，橡胶3%。常见汽车材料的构成如下图所示。新型功能材料1.稀土材料中国稀土资源丰富，居世界前列。世界已探明的稀土储量中国占世界已探明资源的80%，为我国大力开发稀土材料提供了得天独厚的条件。使用汽车废气净化催化剂是控制汽车废气排放、减少污染的最有效的手段。含稀土的汽车废气净化催化剂价格低、热稳定性好、活性较高，使用寿命长，引起了人们的广泛关注。汽车废气净化稀土催化剂所用的稀土成分主要是氧化铈、氧化镧和氧化镨等。用于汽车废气净化催化剂的载体通常为蜂窝陶瓷，稀土还可以作为陶瓷载体的稳定剂以及活性涂层材料等。2.纳米材料纳米科技是21世纪科技产业革命的重要内容之一，它是高度交叉的综合性学科，包括物理、化学、生物学、材料科学和电子学。它不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础学科，还有以纳米工程与加工学为主线的技术科学，所以纳米科学与技术也是一个融前沿科学和高技术于一体的完整体系。纳米技术将在汽车上的结构材料、节能、环保等方面获得广泛的应用。纳米陶瓷材料的耐磨性和质量减小、稳定性增强。纳米陶瓷轴已经应用在奔弛等高级矫车上，使机械转速加快、质量减小、稳定性增强、使用寿命延长。纳米汽油是一种利用现代最新纳米技术开发的汽油微乳化剂，纳米汽油可以降低油耗10%-20%，可降低废气中有害气体含量50%-80%。纳米润滑剂是采用纳米技术改善润滑油分子结构的石油产品，它不对任何润滑油添加剂、稳定剂、处理剂、发动机增润剂或减磨剂等产生不良作用，只是在零件金属表面自动形成纯烃类单个原子厚度的一层薄膜。纳米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。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、行李舱盖以及变速器箱体、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，能有效延长其使用寿命。无机纳米抗菌塑料加工简单，广谱抗菌，24h接触杀菌率达90%，无副作用，可以用在车门把手、方向盘、座椅面料、储物盒等易污部件。新材料应用的发展趋势1．新材料回收再用性的研究研究汽车新材料的最终处置问题至关重要，从某种程度上讲，关系到它的生存与发展。目前，汽车上约占自重25％的材料无法回收再用，其中三分之一为各种塑料，三分之一为橡胶，还有三分之一为玻璃、纤维。鉴于这种情况，世界各国都花费大量的人力、物力进行材料的回收再生问题的研究。现在可以通过三种途径进行回收：颗粒回收，重新碾磨；化学回收，高温分解；能源回收，将废弃物作为燃料。德国在回收塑料等材料的法规是世界上最为完善的，其管理方式非常明确，即首先是避免产生，然后才是“循环使用”和“最终处理”。1991年规定回收塑料中的60％必须是机械性回收，另有40％可以机械回收，也可以采用填埋或能量回收的方式。通过十年的努力，现在的回收率已高达87％。日本是循环经济立法最全面的国家，其目的是建立一个资源“循环型社会”。为此，日本对废旧塑料的回收利用一直保持积极态度。此外，日本还大力支持以废塑料为主的工业垃圾发电事业。计划到2010年在全国建立150个废塑料发电设备。2．减少材料的品种未来汽车在工程塑料类型的选择上将会发生巨大的变化