未來汽車行業的發展與材料應用

鐘健康

西北工業大學機電學院，陜西西安 710068

1 現在汽車制造的主要材料種類

1.1 鋼

什么是鋼？鋼是以鐵和碳為基本元素的鐵碳合金，且以鐵為主，碳占少于2%的比重的合金。因其具有高強度結構，在汽車生產中，鋼常用于提高汽車結構件（車身和底盤）堅硬度的材料，還包括一些重要零件。鋼作為汽車生產的主體，它發揮的作用毋庸置疑?，F在的汽車生產過程中，鋼的主要制造形式有以下幾種。最常見的是碳素合金鋼，在市場上以其價格便宜和具有其一定力學性能大量用于各種金屬構件的制造；低合金高強度結構鋼，加入少量合金元素Mn、Si等，形成強度高，加工性能良好的結構鋼；優質碳素合金鋼，根據其含碳量的不同，具有不同塑性、韌性和強度硬度；合金結構鋼，具有合適的淬透性，具有較高的抗拉強度和屈強比。鋼鐵材料在汽車生產過程中材料所需的比重為80%，而總體金屬所需為86%。作為最大的鋼鐵原料生產國，怎樣提高我國自行生產鋼鐵在汽車制造過程中的材料應用地位，怎么在鋼鐵的生產和材料創新上取得先機是我國當下應當考慮的重要因素。

1.2 稀缺金屬

據悉，在汽車生產過程中，國外的汽車工廠會選擇向合金鋼中加入鉻、鎳、鉬等金屬元素，以及一些含鈷量很高的永磁性金屬材料。而這些元素都是屬于稀缺資源，在可持續發展的道路上，這些元素的應用必將更加符合可持續發展觀，節約稀缺資源必將成為指導汽車材料生產和開發的方針。

1.3 鋁

毫無疑問，鋁是輕量化的首選材料。作為工業中被廣泛應用于船舶和飛機制造等領域的金屬，鋁擁有其自身明顯的優勢和特點。鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業上廣泛使用，使用量僅次于鋼。隨著近年來科學技術以及工業經濟的飛速發展，對鋁合金焊接結構件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入，鋁合金的焊接技術正成為研究的熱點之一。鋁的質量分數只有鐵的1/3，生產上由鐵向鋁轉換也比較容易實現，現在汽車的活塞、進氣支管、氣缸蓋、盤輪等都采用了重量輕的鋁合金。在美國和歐洲，很多其他汽車組件也由鋼鐵變成了鋁合金，譬如油箱和保險杠，不僅減輕了自身重量，還改善了汽車性能，保險杠用的新鋁合金也多次被開發。數據顯示，德國的試驗車鋁合金的使用已經達到全體材料的30%。所以說，汽車的未來發展，離不開這種輕量化材料。

1.4 鎂所扮演的角色

鎂比鋁更加輕，且資源儲量都很豐富，鎂合金的性能與鋁合金相比有過之而無不及。但是對鎂的提煉比較難，鎂易氧化，即使現在已經擁有效率較為高的鍛造工藝，制造成本也在逐漸下降，但是廣泛用于汽車生產還是比較困難的。然而顯而易見，根據其發展現狀，只要將來鎂合金價格逐漸合理化，那么在未來的汽車制造上，市場前景一片光明。圖1為中國2011年4月份的國民經濟主要指標數據。根據圖1，我們可以看清金屬材料的使用劇增與中國取代美國成為汽車第一大國的關聯。

4月份國民經濟主要指標數據

圖1

1.5 其他汽車生產所需材料

塑料和橡膠在汽車的生產過程中仍占著一個很重要比重，但是眾所周知，塑料的可塑性很強，輕巧美觀，卻很難降解，隨著科學發展觀的觀念深入人心，塑料在不久的將來必會被其他可降解的、符合可持續發展的材料所替代。合成橡膠亦是如此，雖然在現代的工業發展中，這些材料都是十分重要的，但我相信，和DDT一樣，這些與人與自然和諧相處主體不符的合成材料必將淘汰。

2 汽車行業的未來發展

2.1 電動汽車高度決定者——鋰

隨著汽車的性能越來越優越，汽車的購置價格越來越合理，并且憑借其在交通上的重要地位，我們有理由相信汽車在近幾個世紀的發展都將備受重視。科學技術的發展使得人們對太陽能、風能等自然資源的利用逐漸升級。伴隨而來的，我們未來的汽車制造、作用于生活必將不以燃燒一次性能源為基礎，也不以破壞環境為代價。鋰等新金屬的重要應用，使得太陽能汽車的發展有了實質性的跨越。很多人會懷想將來的汽車能夠在天空中翱翔，我認為這并不是不現實。飛機不就是這么來的嗎？隨著我國石油、煤等資源的告罄，鋰在太陽能汽車的生產中扮演的角色將會越發的重要。鋰的性能優越，并且鋰離子電池的研究技術更加精湛成熟，十分適用于未來汽車的動力提供。毫不夸張地說，鋰將決定電動汽車的未來高度。

2.2 核能的新設想——汽車供能者

核能的發展也該是一個很重要的汽車制造拼圖版塊。假設將來能夠在汽車中應用鈾等核元素，那么我們的出門交通將更加方便，也會更加環保。獲得鈾是非常復雜的系列工藝，要經過探礦、開礦、選礦、浸礦、煉礦、精煉等流程，而濃縮分離是其中最后的流程，需要很高的科技水平。事實上我們并不缺乏鈾這一重要的核元素的化合物。如何改善提煉技術，將3%的低濃度鈾用現代技術應用于汽車動力提供，是十分值得研究的。

2.3 汽車新貴——復合材料

復合材料的出現，是汽車制造上的一個新起點，新挑戰。作為近些年發展最快，市場需求不斷升級的中國來說，復合材料的投入使用，將會對洗車工業產生又一輪革新。以長纖維加強型復合材料結構為代表的復合材料及新技術，將會在汽車領域發揮其作用，主要可以體現在三方面：一是電動車領域，據悉歐洲一些研發機構在開發過程中，對電動車采用碳底盤，這一方法能夠使得比采用傳統材料底盤的車型至少減輕300kg，大大改善汽車質量，提高安全性能。其二是傳統汽車領域，目前歐洲的更多車型已經采用熱塑固件，這種復合材料更容易循環處理和使用，綜合效果比普通的熱固件效果更好。其三是在生物材料領域，如木材、棉花等天然生物材料，用以替代玻璃和碳纖維的天然纖維。憑借復合材料的優越性能，顯然不久的將來我們就能夠做到汽車領域材料的重復利用創新。

2.4 拜耳材料

或許我們對拜耳材料科技會感到陌生，但是實際上，我國早已引進并應用在列車的制造上。為了迎合可持續發展和環境友好的需要，國家引進了國際上最為先進的水性涂料及膠粘劑材料、聚碳酸酯材料、聚氨酯復合材料的相關技術及其應用，這些都是目前應用于高速列車上的高端技術材料。實際上，膠粘劑在汽車制造中的應用優勢也非常多，例如降低車體重量、降低噪音、取代鉚接，焊接等傳統工藝、提高生產效率等等。拜耳綠色粘接技術不但有著這些優勢，還有環境保護這樣獨一無二的好處，為環保友好型產品的不二選擇。聚碳酸酯有著透明、優良的沖擊強度、良好的耐熱性和電性能、出色的尺寸穩定性、低吸水率、低成型收縮率、低熱傳導率和良好的電阻特性等等。舉一個例子，Baypreg®：一種高強輕質的聚氨酯復合材料，有著極高的強度同時密度很低，尺寸穩定性和耐熱性好并且有著極高的生產效率?？梢允褂迷谄嚭髠湎渖希_到承重好又輕質的擱物板的目的。若是將這些有著獨特的機械性能和絕熱性能完美結合的聚氨酯硬泡——最有效的保溫隔熱材料，應用于汽車上，我相信會給汽車的未來發展添上濃墨重彩的一筆。這些具有優越性能的材料，在保護環境的同時，也會給新汽車的制造帶去新的元素和新的生產活力，滿足人們更多的需求。

3 結論

隨著我國市場經濟的發展，汽車已經開始以蔓延的方式走進千家萬戶，交通發展上我們越來越向發達國家靠攏。然而在汽車行業上的專業技術短板，已經讓我國吃足了苦頭，各項專利像一座座大山壓制著中國的汽車經濟發展，征收大股份的盈利額，以逸待勞。汽車行業的扶持發展和開發創新也一直是我國近年來科教興國的主要針對對象之一。近世紀的工業快速發展，使得煤、石油等一次性能源在全球大量的消耗利用。這些資源的告罄，也預示著新舊能源已急需更替。緊隨時代腳步，將這些技術應用于汽車制造，是如何在未來的汽車行業發展中取得先機的重要因素。秉著可持續發展和環境友好的原則，我們應該重視新能源的開發和利用。我認為，應將太陽能汽車的寵兒——鋰、核元素——鈾、新型復合材料、傳統材料的創新和循環利用，作為汽車未來發展的材料研究重點。

[1]李秀芬，黃妙華.輕型車身材料在電動汽車上的應用與發展[J].汽車工藝與材料，2006(7).

[2]孫曉霞.從車展看新材料的應用與發展——2010（第十一屆）北京國際汽車展覽會一瞥[J].新材料產業，2010(6).

[3]劉玉靜，張鳳杰.淺談汽車塑料材料的應用現狀與發展[J].中國科技博覽，2009(9).

[4]耿運貴，張永濤.樹脂基復合材料的應用與發展趨勢[J].河南理工大學學報：自然科學版，2007(2).

[5]鄭學森.國內汽車復合材料應用現狀與未來展望[J].玻璃纖維，2010(3).