新材料在汽車上的應用

孫瑞霞 李照迪

摘 要：在科技日新月異發展的今天，汽車行業的發展也是十分迅速。為了可以滿足人們對汽車更高的消費和舒適需求，且不能破壞人們賴以生存的環境，又要保證節能、環保、低污染和安全系數高，新材料、新技術的研究就顯得非常的必要。本文主要闡述了新材料對現代汽車發展的重要意義，又簡單介紹了鋁、鎂合金、高強度鋼、陶瓷材料和碳纖維的應用情況。最后又詳細的分析了用碳纖維制作的輪轂在汽車上的應用情況。

關鍵詞：新材料；節能；碳纖維；輪轂

1前言

隨著社會的發展，汽車已經成為人們必不可少的重要工具。而我國的汽車發展水平還遠不能滿足人們的需求，為了使汽車更加的人性化，滿足人們的需求，就要將其不斷地進行改進。所以，節能減排，鋁、塑等代鋼技術、材料再生利用率、新型復合材料和新技術的開發利用也是我國汽車工業未來的發展方向。世界汽車工業發展趨勢表明：安全、節能、環保型的汽車已成為21世紀汽車發展的主流。[1]

當今世界上，社會經濟和科技在不斷的快速發展的同時能源消耗太大造成能源不斷的枯竭與環境污染嚴重等問題日益明顯。能源危機和環境惡化一直是限制人類發展的一大難題。不管是汽油機、柴油機還是純電動的新能源汽車，節能減排和汽車用材料的輕量化都是人們關注的一個焦點。新型材料去代替以前的重金屬材料，讓純電動汽車去代替以前的汽油、柴油機汽車來解決當今社會的能源短缺問題。為了解決能源短缺問題，新型材料的探索發現顯得至關重要。

2 金屬材料

2.1鋁、鎂合金

鎂合金是以鎂為基礎加入其他元素組成的合金。鎂合金密度小（1.8g/cm3左右）但強度高、剛性好，在汽車用材料中鎂的密度最小，是鋼的1/5，鋅的1/4，鋁的2/3。鎂合金的優點是韌性好、減震性強、熱容量低、凝固速度快、壓鑄性能好、承受沖擊載荷能力比鋁合金大，還具有優良的切削加工性且資源豐富。[2]其加工過程及腐蝕和力學性能有許多特點：散熱快、質量輕、剛性好、具有一定的耐蝕性和尺寸穩定性、抗沖擊、耐磨、衰減性能好及易于回收。主要應用在地盤（剎車支架、剎車總成等）、內、外部設施（座椅基座、天窗蓋總成等）、動力傳動系統（交流發電機支架等）。

鋁合金材料制造的車身中大的覆蓋件板件，用來減少車輛自重，像發動機罩、車頂、車門板。鋁合金的性能超過傳統的鋼鐵車身，它有許多優點不僅僅是在減輕車身重量方面，重要的是減小燃油消耗，改善車輛的操縱性，并且可以回收再利用。鋁有很好的剛性，且物理、化學性能優良，一定厚度的板材應用在車身上，可以制造整車和部分板件。

2.2高強度鋼

高強度鋼（HSS）是普通碳素鋼的基礎上加入少量合金元素制成的。汽車用鋼按照其強度可以分為軟鋼、高強度鋼、超高強度鋼。其中，屈服強度在210～550MPa間的鋼稱為高強度鋼。[3]高強度鋼的使用量直接可以決定汽車車身的重量，也可以提高汽車車身的安全性，是用來決定碰撞安全性的重要材料。汽車用高強度鋼也有很多優點，加工的硬化率比一般的鋼材高，韌性好，可以減輕零件的重量，且車身在經過油漆烘烤后，車身的表面硬度還會得到明顯的提升。

3 非金屬材料

3.1陶瓷材料

陶瓷材料是指用天然或合成化合物經過成形和高溫燒結制成的一類無機非金屬材料。它具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優點。汽車用陶瓷大致可分為功能材料和結構材料。功能材料是利用其絕緣性、介電性、壓電性、半導體、磁性等特異功能，主要用于陶瓷傳感器，以不斷滿足汽車電子化的急劇發展。利用陶瓷對聲、光、電、磁、熱等物理性能所具有的特殊功能而制造的陶瓷材料稱為功能陶瓷材料，功能陶瓷種類繁多，用途各異。陶瓷材料是工程材料中剛度最好、硬度最高的材料。陶瓷的抗壓強度較高，但抗拉強度較低，塑性和韌性很差。陶瓷材料在高溫下不易氧化，并對酸、堿、鹽具有良好的抗腐蝕能力。此外，陶瓷還用作壓電材料、磁性材料、基底材料等。總之，新型陶瓷材料幾乎遍及現代科技的每一個領域，應用前景十分廣闊。

3.2碳纖維

碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維。這種微晶石墨材料是經碳化及石墨化處理得到的，片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌可以形成。碳纖維的強度不僅比鋼鐵強度高，而且質量就比金屬鋁輕了一些，還有耐酸堿腐蝕的特點。碳纖維與傳統的玻璃纖維相比，楊氏模量是其3倍多，而且在各種酸、堿溶劑中形狀不起任何變化，耐腐蝕性突出。在2018年2月，中國已經完全自主研發出第一條百噸級T1000碳纖維生產線。

目前，碳纖維已經廣泛應用在汽車的各種零部件中。在汽車用材料中，碳纖維的特點是重量相對于其他的車用金屬材料輕，質量也小了很多，最重要的就是硬度比鋼鐵、鎂、鋁合金高出了很多倍。碳纖維雖然輕，但有較好的安全性，雖然碳纖維的看起來像塑料，但實際上這種材料抗沖擊性比鋼鐵強，特別是用碳纖維做成的方向盤，機械強度和抗沖性更高。碳纖維復合材料在汽車輕量化上的應用潛力巨大，擁有其他材料不可比擬的密度、比強度、比模量等全方位力學性能，成本、制造工藝及技術等主要瓶頸不斷實現突破下，未來碳纖維復合材料將在汽車產業迎來飛速發展。

汽車輪轂主要由輪輞、偏距、輪緣、胎圈座、輪輻、氣門孔和槽底組成。[3]

使用碳纖維輪轂的優勢如下：

更輕：碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。碳纖維輪轂采用兩片式設計，輪輞為碳纖維材質打造，輪輻為鍛造輕量化合金，搭配鍛造鉚釘，較一般同尺寸的輪轂重量低40%左右。

更高強度：碳纖維的密度是鋁合金的1/2，強度卻是鋁合金的8倍，被譽為黑色黃金的材料之王。采用碳纖維制造的車，重量僅相當于普通鋼材汽車的20%到30%，硬度卻在10倍以上。

更節能：據有關專家研究，使用碳纖維輪轂減輕1kg的簧下質量的效能可以等同于減輕10kg的簧上質量。而車重每減10%，便可降低6%到8%的油耗，降低5%到6%的排放，在同樣用油情況下，一輛車每小時可以多開50公里，有助于提升車的加速與制動性能。

更耐用的：碳纖維復合材料的構成元素穩定，抗酸性、抗腐蝕性超過金屬。也意味著設計者無需考慮產品使用期間有腐蝕造成的性能下降，這也給汽車重量的減輕和性能的提高提供了更多可能。

更好操控：碳纖維輪轂有很好的減震效果，具有操控性更強，舒適度更高等特點。汽車更換輕量化的碳纖維輪轂之后，由于簧下質量減輕了，車的懸掛響應速度有明顯提升，加速更快更輕松了。

4 結語

在科技日新月異發展的今天，汽車行業的發展也是十分迅速。為了可以滿足人們對汽車更高的消費和舒適需求，且不能破壞人們賴以生存的環境，又要保證節能、環保、低污染和安全系數高，新材料、新技術的研究就顯得非常的必要。新材料的發展還可以有效減輕汽車的整備質量，從而降低油耗，減少汽車尾氣的排放。基于上述的優良性能，新材料正在全球各大汽車主機廠中得到廣泛研究和應用，未來汽車材料也將向著新工藝、新結構、環保、多種新材料綜合應用方向發展。

[參考文獻]

[1]吳宏博，孫立娜.汽車用聚合物基復合材料的新進展.[J]纖維復合材料，2012.01

[2]劉金偉等.汽車輪轂的工藝研究及模具計算.[J]科學與財富，2005.10

[3]雷紹闊，鐘國留.淺論復合材料在汽車中的應用.[J]上海塑料，2017.02

（作者單位：黃河交通學院，河南 焦作 454950）