超級木材制備新型超輕質(zhì)汽車外殼的工藝背景及相關(guān)情況探究

薛凱琳　陳俞彤　孫檜生　劉喆　陳卓瑤　趙茗悅

摘 要：在當(dāng)今社會科學(xué)技術(shù)高速前進的背景下，能源日趨緊張、環(huán)境壓力加劇，汽車行業(yè)能源經(jīng)濟性準(zhǔn)入門檻越來越高，無論是傳統(tǒng)燃油汽車還是新能源汽車領(lǐng)域，輕量化對于汽車行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。有研究數(shù)字顯示，汽車車身框架約占汽車總質(zhì)量的30%，空載情況下，約70%左右的油消耗在車身質(zhì)量上。因此，車身框架輕量化對于汽車的燃油經(jīng)濟性、車輛控制的穩(wěn)定性、碰撞的安全性都大有好處。當(dāng)前，中國汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展面臨著挑戰(zhàn)。汽車輕量化技術(shù)作為一種有效的節(jié)能手段，已經(jīng)引起了全球汽車工業(yè)的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：超級木質(zhì)材料;新型汽車;制作工藝;背景及相關(guān)情況

馬里蘭大學(xué)胡良兵教授領(lǐng)銜的研究團隊發(fā)表了一項最新研究成果，他們發(fā)明了一種新型處理木材的簡單方法，在氫氧化鈉和亞硫酸鈉溶液中煮沸木材，使植物的細(xì)胞壁變硬，同時要保證其整體結(jié)構(gòu)基本完好無損。之后壓縮處理木材，直到它的細(xì)胞壁坍塌，然后再在木材加熱的過程中繼續(xù)壓縮木材。這樣的壓力激發(fā)了組成木材細(xì)胞結(jié)構(gòu)的不同形式的原子之間的化學(xué)鍵，這樣大大的加強了木材的強度，即可得到“超級木材”。

1 設(shè)計理念

該項目的共同負(fù)責(zé)人、馬里蘭大學(xué)機械學(xué)院的副教授李騰解釋說，“這種超級木材強度可以與鋼鐵媲美，但是質(zhì)量輕了6倍”該團隊通過對處理后的木材和天然木材射擊子彈來測試其韌性，發(fā)現(xiàn)彈丸可以直接穿透天然木材，卻不能穿透經(jīng)過充分處理的這種超級木材。

2 背景及相關(guān)情況

減低金屬材料在汽車制造中的占比，比如輕金屬材料（鋁、鎂等）或非金屬材料（塑料、碳釬維等）。金屬材料價格高昂，比如凱迪拉克CT6，采用鋼鋁混合車身來降低整車重量，提高燃油效率。還有捷豹，福特F150，雪弗蘭Corvette等，采用全鋁車身。因為鋁的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼（鋼大概4000到7000一噸，鋁板為兩萬多一噸），非金屬材料如塑料，其性能遠(yuǎn)不能滿足汽車的使用。碳纖維的制備工藝較為復(fù)雜，能耗較高，尤其是無法量產(chǎn)替代鋼材。

該項目中紙質(zhì)化材料選用超級木材，以其更低的制造成本，生產(chǎn)過程中不會危害環(huán)境;并且超級木材的制造選材適用于任何種類的木材。該項目基于這種新型材料加工技術(shù)結(jié)合汽車外殼制備原理，所得更加“輕質(zhì)”汽車外殼，因此，超級木材的應(yīng)用就極具意義，該材料研究能夠有效解決上述問題。

利用木頭的堅固度及耐用度與鋼、鈦合金、碳纖維等高強度材料媲美，利用超高強度輕質(zhì)木材的制備工藝，結(jié)合材料加工技術(shù)，制備源于超級木材制備新型超輕質(zhì)木質(zhì)汽車外殼材料。從而達到減輕汽車質(zhì)量，節(jié)省自然能源，使動力性能更好體現(xiàn)，提升出行安全。

某年11月2日，據(jù)新浪科技網(wǎng)報道，日本不再滿足于電動汽車可持續(xù)發(fā)展的需要。日本環(huán)境部正在尋找未來汽車設(shè)計的下一個發(fā)展趨勢，由日本環(huán)境部支持，在京都大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的財團在東京車展上展示了最新的木制汽車。這輛木制汽車是由一種叫做纖維素的納米纖維材料，包括木材，植物材料，農(nóng)業(yè)廢料等等。大多數(shù)汽車車身及內(nèi)飾，如車門、頂棚板、儀表板等，都能清楚地看到木制品，當(dāng)然不是所有都是木制品，部分車身零件也在這輛車上使用金屬、玻璃、橡膠，總車重量僅為傳統(tǒng)汽車的一半，其中零配件重量減少了50%以上，整車的重量減少了10%以上，生產(chǎn)過程也大大減少了與汽車制造工業(yè)有關(guān)的碳排放量，但是目前這輛車主要是汽車的技術(shù)引進，更多的系統(tǒng)和性能細(xì)節(jié)沒有被披露。據(jù)報道，該車配備了氫燃料電池，車速最高可達120km/h。

國務(wù)院辦公廳在2019年8月27日，發(fā)布《關(guān)于加快發(fā)展流通促進商業(yè)消費的意見》中提到，要求釋放汽車消費潛力，實施汽車限購的地區(qū)要結(jié)合實際情況，探索推行逐步放寬或取消限購的具體措施。有條件的地方對購置新能源汽車給予積極支持。

從政策指引看，未來汽車行業(yè)或迎來復(fù)蘇。目前整個汽車行業(yè)經(jīng)過渠道庫存大幅去化，行業(yè)庫存已經(jīng)在近幾年的底部，隨著去庫存基本結(jié)束，加庫周期或受政策刺激開啟。行業(yè)景氣度有望回暖。

而隨著我國環(huán)保政策力度的不斷加大，汽車行業(yè)的燃油排放標(biāo)準(zhǔn)也愈加趨于嚴(yán)苛。據(jù)工信部規(guī)定，我國汽車二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)將從2015年的155g/km降到2020年的112g/km;而國內(nèi)乘用車企業(yè)燃料消耗從2015年的6.9L/km降到2020年的5.0L/km。

該觀點新能源汽車領(lǐng)域一樣適用。因為新能源車的電池與燃油比能量差距巨大，電池組重量一般會比燃油發(fā)動機重量高2倍以上，目前電動商用車的電池系統(tǒng)重量通常占車輛總重的10%～15%，而乘用車占比高達20%～30%，這直接導(dǎo)致電動汽車相比傳統(tǒng)燃油車會增重30%～40%。但如果純電動汽車整車重量能降低10%，那么平均續(xù)航里程將會增加5%～8%，同時損耗成本也可相應(yīng)下降。

所以，無論從傳統(tǒng)汽車的減排還是從新能源汽車增加續(xù)航的發(fā)展趨勢看，輕量化都是一個有效的手段。

不過從汽車行業(yè)當(dāng)前特點看，如果單純依靠設(shè)計的優(yōu)化已不能滿足環(huán)保上低耗與減排的要求，所以從行業(yè)發(fā)展趨勢上看，汽車車身的輕量化已成為未來發(fā)展的一種趨勢。而超級木材的出現(xiàn)更為將來自然可循環(huán)種植式材料技術(shù)提供了一個重要發(fā)展方向。

超級木材在建筑、運輸、航天等領(lǐng)域具有替代金屬的能力，美國工程院、布朗大學(xué)教授高華建作為第三方評估專家，這項研究提出了輕質(zhì)高性能結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計巨大潛力，可廣泛應(yīng)用于需要高強度、高韌性和抗沖擊的工程應(yīng)用。“尤其令人興奮的是，他們對原生木材的處理方法可以簡便實施，而且對各種木材都適用。”

3 結(jié)語

綜上所述，種材料的性能絲毫不遜于鋼鐵，甚至可以與碳纖維相媲美，除堅固輕便外，它的密度也異常的高，耐壓縮、耐刮擦，還有防潮的效果。這意味著“超級木材”的應(yīng)用不僅局限于家具、汽車、飛機和建筑等領(lǐng)域，裝甲、防彈也可能成為它的用武之地，超級木材制備新型超輕質(zhì)汽車外殼，不僅降低了能耗，提高了汽車的安全性，也符合國家的科學(xué)發(fā)展方向。

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