基于新材料新技術的新能源汽車低碳設計探析

李嬌杰 袁新林

摘要：為了推動綠色低碳的發展，在汽車制造過程中運用低耗環保的新材料與新技術尤為重要。免噴涂塑料、聚雙環戊二烯工程塑料與共聚酯材料具備綠色、環保和可回收等性能，4D打印技術、一體化壓鑄技術與輥沖復合成形技術具備低能耗、低碳和高效率等優勢，相較于傳統材料而言，可以更好地滿足我國對于環境保護性、資源節約型社會建設的需求。詳細闡述了免噴涂塑料、聚雙環戊二烯工程塑料與共聚酯材料的性能、應用和影響，分析了4D打印技術、一體化壓鑄技術與輥沖復合成形技術的性能、應用和影響，得出新材料與新技術可以推動新能源汽車工業向更高效、更環保的方向發展，提供低碳設計的發展空間。

關鍵詞：新能源汽車；新材料；新技術；低碳設計

中圖分類號：U469.7? 收稿日期：2023-10-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406027

1 前言

我國政府提出要大力發展綠色低碳產業，新能源汽車產業作為發展重點之一，解決了使用過程中的動力的低碳問題，主要是石化能源更換為來自太陽能、風能和水能等其他形式能量轉換的電能，但是新能源汽車還需要在生產過程中進行更深一步的低碳化變革，才能真正助力碳達峰、碳中和戰略。因此排除動力系統的應用，汽車生產制造過程中的新材料和新技術工藝的應用可使汽車低能耗、低碳方面更為完整。

本文分析了免噴涂塑料、聚雙環戊二烯工程塑料、共聚酯材料，以及4D打印技術、一體化壓鑄技術與輥沖復合成形技術在新能源汽車低碳設計中的應用和取得的綠色、環保、低能耗、低碳和高效率等效果，旨在向讀者介紹不同于傳統的材料與汽車制造技術在低碳設計中的應用，并展望新能源汽車行業的未來。

2 新材料在新能源汽車低碳設計中的應用

隨著新能源汽車制造業步入成熟發展階段，零部件及其材料逐漸向輕量化和節能化發展，最終達到節能減排與降低生產成本的效果，其中，免噴涂塑料、聚雙環戊二烯工程塑料與共聚酯材料這三種新型材料可以做到低碳設計。

21 免噴涂塑料

免噴涂塑料是指不再需要使用傳統的噴涂技術，能夠直接注射模型成形就可以制作出多彩外觀效果的材料，并且擁有超高光澤、耐化學溶劑、綠色環保和降低生產成本等優勢。基材、有色顏料和助劑這三個部分組成了免噴涂材料。目前免噴涂塑料基材有PA、PP、PC、HIPS、PC＼ABS、ASA、 ABS、PMMA、ABS＼PMMA、PBT和POM等[1]，有色顏料有銅粉、珠光粉、陶瓷粉、熒光粉和高光色粉等。免噴涂材料多應用于家電、汽車和3C等領域[2]。

在新能源汽車制造領域中，內飾和外飾件越來越多地采用免噴涂塑料，其中內飾和外飾件有汽車導航儀面板、汽車門把手、后視鏡殼體、立柱外護板和防擦條等[3]。如鈴木汽車的彩色導航面板使用了免噴涂樹脂，不僅具有鮮亮的顏色，同時有著高端質感。在2021深圳橡塑展上，免噴涂的優勢得到充分展現，其中，免噴涂PC+ABS用于汽車車門把手制造，免噴涂ABS+CNT用于汽車后視鏡。免噴涂塑料由于有著較低揮發性有機化合物含量而且釋放的氣味比較小，在節約生產成本以及綠色環保的同時，符合汽車制造工業的發展趨勢[4]。在環境保護方面，免噴涂塑料有著壓倒性的優勢，對環境非常有利，而且在健康管理方面也有著極大的益處，避免了噴漆帶給人體危害。

免噴涂塑料極大地滿足了新能源汽車制造領域的需求。它符合新能源汽車發展趨勢，滿足輕量化、便捷化、成品率高、低成本、低污染和可循環使用等要求。

22 聚雙環戊二烯工程塑料

聚雙環戊二烯（PDCPD）是一種環境友好型工程材料，是由雙環戊二烯（DCPD）經有機金屬催化聚合而形成的具有交聯三維網狀結構的聚合物[5]。這種新型工程材料不僅具有優異的耐酸堿性、耐水性、耐候性、電絕緣性、表面涂覆性以及卓越的力學性能等特性，而且其制品可以回收利用。聚雙環戊二烯材料還在體育器材、工程機械、汽車及化工防腐等領域有著很好的應用前景。

聚雙環戊二烯可以代替玻璃鋼和鋁合金等材料應用到新能源汽車的殼體以及其他部件中，還可以進行回收利用，達到節約資源、降低排放、適應時代的目的。聚雙環戊二烯可制部件有輪眉、保險杠、護板、側板、底保護殼、導流罩和翼子板等。例如派邁新材料有限責任公司使用聚雙環戊二烯生產出輪眉及車身殼體等部件。相比于玻璃鋼及金屬等材質，使用這種工程塑料的新能源汽車能夠使車身輕量化，組裝更加輕松，生產周期短，其中使汽車達到輕量化的效果不僅能夠節能減排，還能提高汽車動力效能。在回收利用方面，當應用聚雙環戊二材料制成的汽車部件變成廢料后，通過加工粉碎造粒，作為熱塑性塑料如PP、PE的填料循環利用。

因國家環保政策的支持、人們環保意識的提升以及生產管理制度的完善，聚雙環戊二烯在新能源汽車行業得到了發展的契機。聚雙環戊二烯的原料一旦實現國產化，使原料成本降低，這個新型材料將會出現于更多的應用領域。

23 共聚酯材料

共聚酯材料是由苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）和1，4-環己烷二甲醇（CHDM）這三種單體進行縮聚形成的透明塑料復合材質，又稱為SKYTRA[6]。據研究發現，共聚酯材料具有較高的透明度、較好的韌性以及較強的抗腐蝕性等性能。因共聚酯材料添加了從玉米中提取的生物原料，擁有明顯的生物塑料特性，成為一種綠色、低碳、環保的新型透明工程塑料。

共聚酯材料不僅在新能源汽車內飾面料設計中具備很好的應用潛力，而且其綠色、低碳以及環保等特性與新能源汽車的發展趨勢十分匹配。共聚酯這種新型復合材料具有較高的實用性，“2018平昌冬季奧運會和冬季殘奧會”上使用的官方氫燃料車的生產采用了這種綠色環保型工程塑料。研發部門對共聚酯用途進行開發，試圖在多種車型和汽車零部件上使用共聚酯復合材料。共聚酯這一材料的運用可以有效地把汽車內飾材料轉變成無害、綠色、低碳、環保的材料，與環保、美觀、實用等優勢完美融合。

共聚酯材料可應用領域非常廣泛，其中包括醫療、包裝以及玩具等，但其應用價值在新能源汽車行業上顯得尤為明顯。在新能源汽車制造過程中，共聚酯這種材質不僅具備綠色、環保及節能等特性，而且它與社會低碳發展需求高度一致，實現綠色設計、環保設計。

3 新技術在新能源汽車低碳設計中的應用

在傳統汽車制造的基礎之上，新能源汽車仍有很多全新的工藝技術亟待開發。為了推動綠色低碳的發展，汽車中加工制造技術以輕量化與智能化為發展方向，其中4D打印技術、一體化壓鑄技術與輥沖復合成形技術這三種新技術具備有效降低油耗、減少排放和降低生產成本等優勢。

31 4D打印技術

4D打印技術是在3D打印技術的基礎上進行升級，具體是對材料、技術以及應用等方面進行升級。4D打印技術擁有生產成本低、可以成形的智能構件和設計自由度高等優點。該技術是指在特意設定的刺激下，三維物體通過運用3D打印技術和“可編程物質”實現自我變換物理屬性的能力[7]。其中，通過編程方式，更改屬性的物質就是“可編程物質”，其屬性涵蓋了外形、顏色、彈性、密度和電磁特性等。

在汽車制造領域，4D打印技術能夠生產可變換外形的汽車零部件，滿足對產品的組合部件性能、外在形狀和內部結構等需求；同時，4D打印技術可以很好地解決目前資源消耗量大、空間日益減少和碳排放高等問題。首次在汽車領域運用4D打印技術這一成果是由寶馬公司實現的，該公司通過使用4D打印技術制造出一種覆蓋在車輪上的柔性板，這種柔性覆蓋板讓車輪能夠根據環境調整形狀，達到減少風阻和降低能耗的效果，做到充分發揮優異的空氣動力學性能。寶馬在百年慶典活動中還發布車身材料使用4D打印技術制造的全新概念車“BMW VISION NEXT 100”。在環境保護方面，等材制造和減材制造不僅消耗大量能源資源，還會產生巨大的碳排放，而4D打印作為增材制造，改變了傳統制造的理念和模式，縮減了開發周期與生產成本，并且有效減少碳排放量，推動綠色生產助力可持續發展的未來。

雖然4D打印技術的發展時間比較短暫，但是4D打印技術一問世就得到了各行各業的高度關注，與此同時研究人員在4D打印技術的設施創新、材料應用上的拓展、軟件上的應用和設計工具的研發等方面展開一系列研究。

32 一體化壓鑄技術

一體化壓鑄技術是一種新型汽車零部件制造技術，它利用大型壓鑄機將多個獨立、分散零件的復雜構件進行高度集成，實現一次壓鑄成型，這一技術最早由特斯拉提出的“一體壓鑄”概念得到了實現。一體化壓鑄技術的運用能大幅降低零件數量，節省部件焊接工藝，達到降低車身重量、降低生產成本和節能減排的效果。

一體化壓鑄技術主要運用在汽車制造領域，是未來汽車車身制造技術的重要發展趨勢。2019年，特斯拉正式提出“一體壓鑄”概念，并于2020年率先完成在車身制造上應用這一技術，其中，通過采用一體化壓鑄的方式，Model Y車型的后底板總成系統成功實現快速鑄型，并在后底板上增加前縱梁的一體化壓鑄，將前后底板的零部件數量從171個減少至2個，焊點數量減少了1 600多個。2022年，第三代4680電芯采用一體化壓鑄的三合一底盤電池包，實現了10%的減重，減少了300余個零部件[8]。相比傳統方式，車身系統節省重量超10%。另外，得益于一體化壓鑄技術，使得車輛續航增加14%，成本降低40%。如此可見，這一技術逐漸推動汽車制造業的可持續發展，其應用前景廣闊。

一體化壓鑄技術正逐漸改變汽車制造行業的傳統生產模式，成為未來汽車制造的重要發展方向，這種新型制造技術將為汽車制造業帶來革命性的變革。隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，一體化壓鑄技術將在未來的汽車制造行業中發揮出重要的作用，推動汽車制造業的可持續發展。

33 輥沖復合成形技術

輥沖復合成形（鏈模成形）是一種新型新能源汽車輕量化的金屬成形技術，于2020年由孫勇博士研究團隊提出。該技術兼具了輥壓和沖壓的相關工藝成形優勢，擁有節約能源、降低成本和提高效率等優勢，特別有效地解決了我國鋁合金新能源汽車零部件難成形的問題。目前，在新能源汽車、建筑、電子以及軌道交通等行業中，輥沖復合成形技術是輕量化、變截面零部件的最有前景的成形技術之一[9]。

輥沖復合成形技術已經從研發階段邁向了產業化制造階段，并被列入了我國“十四五”規劃中重點發展的新能源汽車輕量化精密成形技術之一。很多大型鋼鐵企業已經成功使用輥沖復合成形技術制造出具有某些特定的超高強鋼變截面新能源汽車精密零部件樣品，并且初步探索出變截面成形過程的特點[9]。成型后的零部件避免了傳統沖壓工藝和輥壓成形工藝成形零件的常見問題，如無法成形變截面，沖壓成形的載荷大，模具磨損嚴重，材料易開裂等。輥沖復合成形技術的提出不僅很好地解決了我國新能源汽車關鍵結構件精密成形制造領域發展的相關“卡脖子”問題，而且符合新能源汽車產業綠色低碳的發展趨勢。

與傳統制造工藝相比，這項技術兼具輥壓工藝和沖壓工藝優勢，并且可以有效解決當前我國鋁合金新能源汽車零部件難成形的問題。預計在未來發展中，輥沖復合成形技術在新材料的應用、工廠的自動化生產和環境保護等方面有很大的潛力和市場。

4 結語

由于新材料與新技術具有良好的使用性能，而且成本更低，具備環保性，能夠實現車輛的輕量化設計與低碳設計，滿足汽車行業的發展需要。在新能源汽車制造方面，汽車企業需要轉變理念，積極探索汽車節能減排新材料、新技術，引入與采用新興材料與技術，以達到汽車低能耗和低碳方面更為完整，努力形成整個新能源汽車生態周期的低能耗、低碳。本文從新型環保低碳材料與新型環保制造技術對其應用進行研究，以期促進我國新能源汽車產業的快速、健康和持續發展。

參考文獻：

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[3]張友根基于新常態戰略的汽車塑料工程綠塑創新驅動的分析研究［J］機械技術與裝備，2015（42）：20－49

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[5]馬正偉商用車外觀覆蓋件PDCPD材料的應用探究[J]山東化工，2023，52（12）：69-71

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[7]盧海洲，羅炫，陳濤，等4D打印技術的研究進展[J]航空材料學報，2019，39（2）：1-9

[8]喬俠，楊磊，劉雙勇一體化壓鑄技術發展與應用研究[J]汽車工藝師，2023（8）：30-33+52

[9]孫勇，吳本釗，張東星，等輥沖復合成形研究現狀[J]塑性工程學報，2022，29（11）：67-84

作者簡介：

李嬌杰，女，1997年生，碩士研究生，研究方向為工業設計。

袁新林（通訊作者），男，1971年生，教授，研究方向為工業設計。