现代汽车新材料技术应用
摘要: 材料技术的进步,降低了车辆质量,改善了燃料经济性,并减少了车辆制造成本。近年来,现代汽车普遍采用碳纤维增强材料、陶瓷碳素复合材料以及纳米材料等最新技术,介绍纳米汽油、纳米润滑剂、纳米塑料、碳纳米管、纳米界面材料、新型汽车尾气检测装置等应用于汽车的纳米技术。
关键词: 汽车;新材料;技术;应用
汽车已从最初的简单代步工具演变成集当代科技精华于一身的高科技产物,越来越多新材料及新工艺的出现,使得人们对汽车轻质化、低成本、智能化、经济性和可靠性的要求成为可能。因此,材料技术的发展对汽车工业的进步有着巨大的作用。
1 碳纤维增强材料和陶瓷碳素复合材料
碳纤维增强材料和陶瓷碳素复合材料在汽车上的广泛应用,降低了整车质量,方便复杂形状的成型制造,提高了车辆性能,延长了车辆的使用寿命。
碳纤维增强材料形式多样,保时捷CARRERA GT 采用: ①用被浸透的树脂2 张碳片状材料(Carbon Sheet) (预成型材料) ,把碳蜂窝状材料与铝蜂窝状作为夹层,在高压力锅中进行加热加压部材,使用于主承载式车身等高负荷部位。
②采用相同的预成型材料,形成蜂窝状结构,包覆数张碳素片状材料,并在压力锅中加以处理,用于后翼子板。③用铝制模具进行碳片状材料的成型加工,用于车身后保护板。④用 2 副模具夹紧碳素片状材料,在加热加压的同时,采用树脂浸透的树脂传输模制法(Resin Transfer Moulding ,RTM)成型工艺,使用于侧向面板等轻负荷的外覆盖件。
保时捷CARRERA GT陶瓷- 碳材料离合器( PCCC)将2片离合器盘夹紧的后挡板(共有 3 块后挡板,其中间一块的两面都设有衬垫)衬垫采用与PCCB(保时捷陶瓷复合材料制造的制动器)相同的材质,离合器直径仅为169 mm ,而911Turbo 为240 mm ,从而降低了发动机的搭载位置,而且质量降低为原来的1/ 10 ,其质量为315 kg ,而911 Turbo 为7 kg ,使用寿命是跑车用碳材料离合器的10 倍。PCCC 在23 000 r/ min转速下具有 1 000 N ·m 的转矩,耐热性高达1 400 ℃,能充分考虑到变速器等其他组件耐热性的安全系数等边界条件。
奔驰CL 55 AMG跑车的超高性能陶制制动系统,采用碳素纤维增强型陶制材料制成的新一代前制动盘比传统的由铸铁制成的制动盘片约轻60 % ,每个制动盘的质量减轻 6 kg ,有效地降低了非悬挂物的总质量,提高了车辆空气动力性,转向也更精确,响应性更好。
汽车制造商一直在研究质量更轻、强度更高的新材料,宝马的非金属材料应用技术在业内一直处于领先地位,1998 年,Z1 概念车采用了塑料车身,2002 年Z22 不仅有碳纤维增强塑料的车身,还包括电子操纵的制动和转向系统。其车身采用铝合金骨架,上面覆盖碳纤维增强塑料,整车质量只有1 100 kg ,比传统钢车身的528i 减轻了1/ 3 ,百公里油耗仅为5188 L。碳纤维增强塑料技术不仅减轻了车身自重,还将车身结构件的数量从80 个减少到20 个,从而大大减少了加工费用。
2 纳米材料
2.1 纳米技术将会带来一场技术革命,从而引起21 世纪又一场产业革命。纳米技术在未来的应用将远远超过计算机工业,并成为未来信息时代的核心。
纳米技术纳米是一种度量单位,1 nm为百万分之一毫米,即10 亿分之一
米。纳米机构是指尺寸在100 nm 以下的微小结构,在该水平上对物质和材料进行研究和处理的技术,称为纳米技术。纳米技术或称毫微米技术是用单个原子、分子层次上对物质存在的种类、数量和结构形态等进行精确的观测、识别与控制技术(包括极细微尺寸的组装)的研究与应用。纳米材料是纳米技术研究的热点,各国科学家都在进行研究。
2.2 采用纳米技术开发的智能催化剂
日本大发汽车公司在确保车用发动机后处理装置尾气催化转化器的高效净化性能的同时,采用纳米技术使贵金属催化剂的使用量与原来相比减少了70 %。这种车用汽油机用新型催化剂由于采用纳米材料具有“自再生”的功能,所以又称为智能催化剂,并且应用在超低排放车(UL EV) 及2002 年日本市场销售的微型轿车上。目前,为了实现超低排放车的普及应用目标,降低三效催化转化器的贵金属使用量有利于降低制造成本。催化剂贵金属用于催化净化高温排出的尾气。随着汽车行驶距离的增加,使用时间增长,其性能呈下降趋势。因此,为了保证催化剂净化能力,一般在设计过程中采用增加贵金属量予以解决。新开发的智能催化剂则是采用纳米技术,对催化剂的成分组成从原子水平进行控制,通过对排放气体的“氧化”与“还原”的不断循环反应,保持了贵金属本身的催化性能(见图1) 。
智能催化剂是应用最新的纳米技术,在“钙钛矿型结晶”的特殊结晶结构中从原子尺度上配置贵金属钯、铑、铂,以实现催化净化性能,在使用中保持“自再生功能”。该技术在1997年～1998年由大发汽车公司与丰田中央研究所合作,发现在钙钛矿(provskite)这种特殊陶瓷的结晶结构中,当加入钯超微粒子后存在着“自再生功能”,然后经过努力并研制成功。
2.3 其他技术
1)纳米汽油。
纳米汽油采用最新纳米技术研制开发的汽油乳化剂,能对汽油品质进行改造,最大限度地促进汽油燃烧。使用时,只要将微乳化剂以适当的比例加入汽油即可,可降低车辆油耗10 %～20 % ,动力性提高25 % ,并使排放降低50 %～80 % ,还可清除积碳,提高汽油的综合性能。
2)纳米润滑剂。
纳米润滑剂是采用纳米技术改善原润滑油分子结构,其分子非常微小,它针对金属表面,而不是润滑油本身。它不对任何润滑油添加剂、处理剂、稳定剂、
发动机增润剂或减磨剂等产生作用,只是在零件金属表面自动形成纯烃类单原子厚的一层保护膜。由于这些极微小的烃类分子间的相互吸附作用,能完全充填金属表面的微孔,这些如液态的小滚珠,最大可能地减少金属与金属间微孔的摩擦。与高级润滑油或固态添加剂相比,其极压可增加3～4倍,磨损面减少16 倍。减少了摩擦磨损,降低耗能,寿命提高,且无任何副作用。专家指出:这种全新概念的单分子纳米润滑技术,将给磨损部件的设计与性能带来深刻的变革。
3)纳米塑料。
纳米塑料呈现出优异的物理力学性能,强度高、耐热性好、密度较低。同时纳米粒子尺寸小于可见光波的长度,纳米塑料显示出良好的透明度和较高的光泽度。部分材料的耐磨性是黄铜的27 倍、钢铁的7 倍。纳米塑料在各种高性能管材、汽车及机械零部件、电子及电器部件等领域应用前景广阔。
4)碳纳米管。
以碳纳米管(SWNTS)为首的碳系列材料(纳米纤维、纳米石墨) 也受到高度重视。在储氢能力达到5 %～10 %重量的储氢碳纳米管的研究中,在试料精制、试料前处理、测定精度的改造等研究方面已获得较大进展,其中单层纳米管(SWNTs)的内部储氢已在加快研究中。
5)纳米界面材料。
纳米界面材料技术是指超双亲性二元协同界面材料技术(既亲水又亲油)和超双疏型界面材料技术(既疏水又疏油) ,可在任何材质表面实现,必将在汽车、纺织、建材、化工、包装材料、金属加工、通讯设备等领域引发一场材料革命。
6)新型汽车尾气检测装置。
英国科学家研制出一种光谱分析汽车尾气检测装置,可快速判断汽车尾气排放是否达标,还能分析尾气成分。该装置主要测量汽车尾气在紫外线波段上的吸收情况,其工作波段为200～270 nm。汽车尾气中的有害成分在该波段上都会形成特征明显、易于识别的吸收光谱。该装置还有动态检测能力,即使汽车以100 km/ h的速度行驶,也能进行检测,精度可达10 亿分之一。
3 结束语
碳纤维增强材料、陶瓷碳素复合材料、纳米材料在现代汽车上的应用深入而广泛,新材料的应用降低了整车质量,方便复杂形状的成型制造,提高了车辆性能,延长了车辆的使用寿命。
参考文献
[ 1 ] 王建萍.日本汽车新材料发展综述(下) [J ] .汽车与配件, 2007(11) .
[ 2] 冯美斌.我国汽车新材料技术发展现状分析与建议[J ] . 汽车工艺与材料,2007 (5) .
[ 3 ] 冯美斌.汽车轻量化技术中新材料的发展及应用[J ] .汽车工程,2006 (3) . [ 4] 杨建新,熊祥辉,蔡兴旺. 纳米材料在汽车尾气净化中的应用[J ] .韶关学院学报,2005 (3) .
[ 5 ] 庾晋,白术.纳米材料在汽车应用上的研制动向[J ] .上海汽车,2002 (10) .
