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汽车先进材料的使用情况.docx
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汽车先进材料的使用情况
汽车先进材料的使用情况
——匿名
一、研究背景
现状与意义
新一代汽车更轻、更靓、更节能,外观动感时尚、线条生动活泼、动力性能出色、高效低耗能的概念车受到消费者追捧。
用更轻、更耐用、对环境污染更小并可回收的材料是汽车选材的方向。
这涉及到材料的选择、组成、加工过程。
新材料是指最近发展的具有优异性能的材料,新型材料需要新型制造技术,制造技术是决定材料实用化的关键,因此这些技术往往是各国汽车业的尖端技术。
现在,各大汽车厂商都在加紧预测消费者偏好,用新材料研发新一代家用轿车。
因为新材料更加环保、让汽车更轻更省油。
环保、节能、安全、舒适和低成本将成为汽车材料的五大主题。
围绕这五大主题,汽车材料的开发将以新型轻质材料、新型能源材料和新型催化材料等为主,通过一系列高性能新材料的应用,来提高整车性能,从而推动我国汽车工业的发展。
现代科技和经济史表明,每项新技术的出现和新兴产业的形成都是以新材料及其产业的发展为前提的,如拉开电子时代的序幕,仰仗于单晶硅材料的产业化。
新材料产业已渗透到国民经济、国防建设和社会生活的各个领域,是构成大批高新技术产业的基础。
我国对新材料技术的发展,给予极大的关注。
随着汽车节能这一国际化趋势逐渐渗透到我国汽车业,使用非金属材料减轻车身自重正日益成为趋势。
由于汽车的总重量是造成油耗的一个重要原因,因此国外许多厂商都把减轻车身和车内设备重量作为研究开发的重点。
德国大众公司推出的路波轿车就是主要通过减轻车身重量和减少空调等电器设备,令百公里耗油量降到3升,相当于我国国产轿车的1/2。
他们正在研制中的新车型,油耗将降到两升水平。
相对国内市场,牺牲过多车内设备可能会影响消费者的购车积极性,要想达到降低油耗的目标,必须开发从零部件到整车的非金属材料,特别是增强对塑料(玻璃钢)类的研究和应用。
当前国内企业使用的FRP零件技术含量较低,还无法满足高档汽车的要求。
一些汽车制造厂由于担心设备更新成本过大,也不愿过多地采用非金属材料。
因此,一方面要努力提高FRP的制造水平,另一方面要开发替代FRP的热塑性塑料和绿色复合材料。
汽车产业是我国支柱产业之一。
一辆轿车有数以万计的零件,如汽车用钢材、有色金属、粉末冶金、车用非金属材料、纤维增强塑料、摩擦材料、安全玻璃、深弯夹层玻璃。
此外汽车涂料、纺织品也不断要求推陈出新。
随着轿车逐步进入家庭,将成为量大面广的耐用消费品,产品不断改进,材料涉及面更广。
因此汽车材料产业必须加强研究和开发,才能跟上轿车日新月异和层出不穷的新要求。
本次研究课题从现有的国内外研究成果着手,通过查阅资料,了解先进材料在汽车各部分的应用情况。
二、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。
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。
目前汽车使用的塑料由几十种高分子材料组成,当前世界各大汽车公司致力于减少车用塑料种类,并尽量使其通用化。
这将有利于材料的回收再生和生态环境的保护。
3.降低成本
制约汽车车身新材料应用的重要因素是价格。
作为主要新材料的高强度钢、玻璃纤维增强材料、铝和石墨增强,其成本分别为普通碳钢的1.1倍、3倍、4倍和20倍。
所以只有大幅度降低这些新材料的制造成本,才可能使诸多新材料进入批量生产。
如玻璃纤维增强材料将在成本上成为钢材的有力竞争者,虽然它的重量减轻有限,但价格却能为用户接受。
石墨合成材料尽管性能良好,但因其成本居高不下,目前它在汽车工业上很难有所作为。
4.车身设计方法的革命
据欧洲汽车界人士预测,在今后十年中,轿车自身质量还将减轻20%,除了大量采用复合材料和轻质合金外,车身设计方法也将发生重大变化。
由于大量采用新型材料,传统的车身结构及其设计方法可能不再适用,取而代之的是一种基于生物学增长规律的形状优化设计法,这种设计方法即能减少零件质量,又延长了零件的使用寿命。
此外,采用新的设计方法还能使车身零件数大幅度减少。
三、车身材料的各类应用
传统材料的应用
(一)镀锌钢板
随着汽车工业发展,为了提高车体使用寿命和增强车体材料的抗腐性能,镀锌钢板得到广泛使用。
由于在目前汽车车身制造中,主要采用电阻点焊方法,与无镀层钢板相比,镀锌钢板的点焊过程中还存在一些问题:
先于钢板熔化的锌层形成锌环而分流,致使焊接电流密度减小;锌层表面烧损、污染电极而使电极寿命降低;锌层电阻率低,接触电阻小;容易产生焊接飞溅、裂纹及气孔等缺陷。
(二)高强度钢板
采用高强度钢板,既可以减少汽车由身的质量,又可以提高汽车的安全性和可靠性,含磷深冲压高强度钢板主要应用在车身、驾驶室上的深冲压件,使用得当,可降低材料消耗10%,双相钢板其有较低的屈服强度和高的加工硬化能力,比较适宜于制造变形程度大的冲压或拉延深件,根据成形特点,可使零件质量减轻30%一60%。
日本在高强度钢板的技术开发和性能研究方面已经进行了许多工作,为了提高汽车的安全性,高强度钢板首先用在门柱和保险杠,目前正在进行内板、制动、车轮等方面的研究和试制。
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。
美国轿车材料构成的变化
材料构成
1980年
(KG/车)
1985年
(KG/车)
1990年
(KG/车)
2000年
(KG/车)
钢
862
726
590
630
铸铁
227
136
113
136.07
铝
54
68
91
95
塑料
91
109
136
149
玻璃
41
32
23
34
低合金高强度钢板的品种主要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢板和高强度IF冷轧钢板等,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。
1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;
2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;
3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,如经烤漆后其强度可进一步提高。
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;
4超低碳高强度冷轧钢板:
在超低碳钢(C≤0.005%)中加入适量的钛或铌,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。
(三)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。
(四)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。
新型材料的应用
(一)镁合金
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。
镁比铝更轻,且资源丰富。
对于易氧化的镁,由于已开发出效率高的锻造工艺,使镁的制造成本下降,但其精炼能源为电力,所以其成本比铝高。
镁能否在汽车零部件上大量使用,镁和铝的价格差成为关键。
从表面上看,镁似乎比塑料造价更昂贵些,但镁有其独到的优势。
镁不要求均匀的壁厚,可简化压制成形工艺并能达到机械性能;压铸件能保持接近5um的公差,螺纹易于加工;更重要的是,零件有较好的尺寸稳定性。
由于镁的强度高,韧性好,所以需要的材料更少,因而更经济。
因此,镁也将成为汽车材料的一大发展趋势。
(二)泡沫合金板
制造从泡沫塑料在建筑中广泛使用中得到启发,科学家们考虑在汽车业中使用“泡沫金属”。
目前汽车工业是消耗金属最多的工业之一,金属制造业虽然能生产2500多种性能各异的钢材和千百种有色金属,但仍然满足不了汽车制造业的特殊需要。
如果“泡沫金属”能研制出来,它将成为未来汽车的最佳材料,这种泡沫金属零件的结构是:
外表用薄钢制成,中心则用泡沫金属填充。
为了提高汽车的安全性和可靠性,需要从设计上、制造上,特别是材料方面考虑。
例如,提高汽车结构材料的强度和韧性,使之更坚固可靠,一旦发生撞车、翻车等交通事故时,能最大限度地减轻损伤程度,保证人员的乘车安全。
与此同时,大力发展各种汽车用的具有特殊功能的材料,以提高汽车的自控能力,进一步改善汽车的性能。
随着国内汽车产量的不断增长,汽车产品档次的不断提高,对汽车保险杠专用材料的国产化研究也进入了一个较快的发展时期,其中聚丙烯汽车保险杠专用材料的研究、开发是一个重点。
目前,国内聚丙烯汽车保险杠专用材料主要以PP为主材,并加入一定比例的橡胶或弹性体材料、无机填料、色母粒、助剂等经过混炼加工而成。
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。
(三)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。
(四)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。
福特LTD试验车的轻量化效果
零件
钢制零件
工程塑料零件
重量减轻
KG
KG
KG/台
车身
209
93
116
车架
123
90
33
车门
70.6
22.7
42.9
保险杠
55.8
20.1
35.7
前围
43.5
13.3
30.2
车轮
42
22.7
19.3
发动机罩
22.2
8
14.2
行李箱盖
19
6
13
其他
32.4
16.2
16.2
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。
(五)高强度纤维复合材料
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。
平均起来,一辆现代化汽车包含两吨以上的硅树脂。
在方向盘兜帽下、在车厢内、在电子器件中、在壳体接缝处,无论在任何需要被包覆、密封或填充的地方,硅树脂始终是首选。
而且,汽车用皮革和纺织品越来越多的用硅树脂作表面涂层,如此可以达到符合特定要求的表面性能。
随着对新材料性能优化的探索,汽车内部用硅橡胶涂层的装饰件正日益增加。
硅橡胶适用于对机织物、费织造材料或针织物的图层。
由于它具有高达90%的伸张率和能更好的耐高温性能,因此可以承受所有的加工。
国外对塑料汽车保险杠的研究起步较早,20世纪60年代就已形成商品化生产规模,当时主要选材为PU和PC/ABS合金,进入20世纪80年代后,PP改性材料成为制作保险杠的首选材料。
欧洲保险杠大部分采用可注射成型的EPDM改性PP材料,20世纪90年代初,欧洲约有85%保险杠用EPDM改性PP制作,1995年提高到95%。
日本在塑料保险杠的开发方面始终处于世界前列,20世纪90年代日本大约80%的保险杠用改性PP制成。
日本窒素公司开发了一系列用于汽车保险杠的高结晶PP,日本本田CR-X型汽车是世界上较早采用注射模塑法生产改性汽车保险杠的汽车。
日产汽车公司和三菱油化公司也研制出由PP嵌段共聚物、苯乙烯弹性体和聚烯烃系乙丙橡胶3种组分配成的新材料制作的保险杠。
(六)车用天然纤维增强复合材料——吸声与隔热
噪声污染已成为当前环境污染的一个主要方面,控制噪声的一个重要途径是研发和使用一系列吸声材料。
汽车作为一种越来越普及的交通工具,其舒适性变得尤为重要,所以在天然纤维复合材料应用于汽车的过程中,其吸声性能是一项重要的指标。
天然纤维增强复合材料是天然的多孑L结构,主要通过多孔吸声机制实现吸声功能口]。
天然纤维材料成本低、吸声频带宽、生产简单,应用于汽车内饰件,在降低噪声方面有很大应用前景。
同样,材料的隔热性能也是影响汽车舒适性的一个重要性能指标。
为减少能耗,增加舒适性,车用材料必须具备较好的隔热功能。
表1列出了几种常见材料的导热系数。
导热系数是材料固有的物理性质,导热系数越小,则材料在相同的温度梯度下传热速率越小,即材料的隔热性能越高。
从表1中可以看出,亚麻布及纤维素的导热系数都很低,而纤维素是天然纤维的主要结构,所以天然纤维增强复合材料结构在隔热方面具有很大的优势。
四、研究总结
通过本次的课题研究,小组对新型材料在汽车的应用情况有了比较深入的广泛认识,从传统的金属合金到新型的塑料、纤维、记忆合金等先进材料的应用,汽车材料的发展可谓是日新月异。
随着科技的发展,还有很多的新材料正在被研究运用到汽车上,比如碳纤维材料、钛合金还有其他的复合材料,但由于成本问题,目前很难突入到实际生产上,只能停留在实验室阶段,在此也就不过多的讨论。
希望随着对其他新材料的不断研究和发现,我们在汽车行业的发展速度将达到质的飞跃。
五、参考文献
[1]朱张校,工程材料,清华大学出版社
[2]姚贵升,汽车金属材料应用手册(上),北京理工大学出版社
[3]朱铮,汽车用高强度钢板的开发应用和发展
[4]郝晓方,汽车新材料的应用
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