汽車材料的應(yīng)用及發(fā)展研究

黃瑞麗

摘要：汽車材料是汽車生產(chǎn)制造及運(yùn)行的基礎(chǔ)，與汽車性能息息相關(guān)。在科技發(fā)展的助推下，各類新型汽車材料不斷涌現(xiàn)，推動(dòng)汽車材料趨向多元化發(fā)展。汽車材料的更新迭代，對(duì)于汽車性能產(chǎn)生極大影響，并大力推動(dòng)汽車行業(yè)的快速發(fā)展。本文簡(jiǎn)要介紹汽車材料的發(fā)展歷程，論述汽車材料的應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析其發(fā)展趨勢(shì)。

Abstract： The automobile material is the foundation of the automobile manufacturing and operation， and is closely related to the automobile performance. With the help of the development of science and technology， all kinds of new automotive materials continue to emerge， promoting the diversified development of automotive materials. The renewal and iteration of automotive materials have a great impact on the performance of automobiles and promote the rapid development of the automobile industry. This paper briefly introduces the development course of automotive materials， discusses the application status of automotive materials， and analyzes its development trend.

關(guān)鍵詞：汽車材料;應(yīng)用;發(fā)展

Key words： automotive materials;application;the development

中圖分類號(hào)：U472.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0186-02

0? 引言

汽車材料是指汽車在生產(chǎn)制造及運(yùn)行維護(hù)過程中所用到的材料，主要可分為汽車運(yùn)行材料及汽車工程材料。汽車工程材料是指制造汽車各零部件所用到的材料，具體可分為金屬材料和非金屬材料。汽車運(yùn)行材料是指汽車在使用運(yùn)行維護(hù)過程中使用的工業(yè)液及燃料。當(dāng)前，全球關(guān)于汽車材料的技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用及實(shí)踐研究很多，本文以汽車材料為視角，簡(jiǎn)要介紹汽車材料的發(fā)展歷程，論述汽車材料的應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析其發(fā)展趨勢(shì)。

1? 汽車材料的發(fā)展歷程

世界上第一輛汽車誕生于19世紀(jì)末，由德國(guó)著名工程師卡爾·本茨設(shè)計(jì)制造，使用的汽車材料主要為鋼和木材。20世紀(jì)初，隨著物理學(xué)和化學(xué)科學(xué)的迅速發(fā)展，人類開啟了高分子合成材料時(shí)代，合成橡膠、合成塑料、合成纖維材料相繼出現(xiàn)。1905年，亨利·福特首次將橡膠充氣輪胎應(yīng)用到汽車制造中，也意味著高分子材料成為了汽車材料的一種。20世紀(jì)50年代，金屬陶瓷復(fù)合材料首次研發(fā)成功，許多知名汽車品牌制造商將復(fù)合材料應(yīng)用到汽車制造中，復(fù)合材料進(jìn)入汽車材料的大家庭[1]。另外由于金屬冶煉技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，各類金屬合金材料相繼研發(fā)出來，例如鋁鎂合金、鈦合金等，共同豐富了汽車材料的品種。21世紀(jì)的今天，許多智能材料被研發(fā)出來，應(yīng)用到汽車制造中，例如聚氨酯自修復(fù)材料、光致變色玻璃及形狀記憶合金等。

2? 汽車材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 金屬材料

金屬材料是汽車制造過程中使用量最大的一種材料，被廣泛應(yīng)用于汽車車身骨架、覆蓋板、保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車底盤等汽車零部件，約占汽車整車重量的65～80%[2]。常見的汽車金屬材料有鋼鐵、鋁合金、鎂合金及鈦合金等，其中鋼鐵的使用歷史最久。鋼鐵材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能及良好的工藝性能（切削加工性能、熱加工成型性及熱處理性能等），并且價(jià)格實(shí)惠，全球產(chǎn)量大[3]，是使用量最大的汽車金屬材料。其中鑄鐵或碳素鋼多用于汽車結(jié)構(gòu)零部件，例如汽車車身;合金鋼多用于功能性汽車零部件，例如十字軸、連桿、傳動(dòng)軸、彈簧、空氣壓縮機(jī)、齒輪、履帶、汽車縱橫梁等。除鋼鐵材料以外，其他金屬材料也被廣泛應(yīng)用于汽車制造中，例如鋁合金常用于電動(dòng)汽車的車身、輪轂、電池系統(tǒng)、覆蓋板、熱交換器、保險(xiǎn)杠等處;鎂合金常用于汽車方向盤、前蓋、轉(zhuǎn)向支架、以及剎車架等;鈦合金可用作汽車彈性元件[4]。

2.2 非金屬材料

2.2.1 高分子材料

高分子材料為人工合成材料，具體包括橡膠、塑料、纖維、涂料和膠粘劑等，是汽車材料的重要組成部分。高分子材料被廣泛應(yīng)用于汽車零部件，一是橡膠材料應(yīng)用于汽車上的減震阻尼元件、墊圈、油管、輪胎、膠帶、電線護(hù)套、皮碗等零件;二是塑料材料應(yīng)用于座椅、座椅、板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋內(nèi)襯、儀表板、門內(nèi)板等內(nèi)飾上，也用于汽車翼子板、保險(xiǎn)杠、散熱格子?xùn)?、燈類等外飾上，還用于氣門室罩蓋、油箱、水泵、汽車?yán)鋮s風(fēng)扇等功能件和結(jié)構(gòu)件上[5];三是涂料廣泛用于汽車車漆。

2.2.2 無機(jī)非金屬材料

汽車上常用的玻璃為無機(jī)非金屬材料，具體包括夾層玻璃、鋼化玻璃以及在其他衍生汽車玻璃，如光致變色玻璃、防彈玻璃和中空玻璃等。

碳纖維是一種含碳量在90%以上的高強(qiáng)度高模量纖維，具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕性強(qiáng)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良、電磁屏蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)材料之一，也是一種新型的汽車材料。碳纖維材料由于制備程序復(fù)雜，價(jià)格昂貴，早期應(yīng)用于賽車，例如F1賽車、越野賽車等。近年來，隨著碳纖維技術(shù)的發(fā)展，碳纖維產(chǎn)量逐年上升，民用汽車的碳纖維應(yīng)用越來越廣泛，許多超級(jí)跑車采用全碳纖維車身，例如超級(jí)跑車阿斯頓馬丁Valkyrie AMR Pro、柯尼塞格Agera RS、邁凱倫Speedtail、雷克薩斯LFA等。一些汽車制造商開始生產(chǎn)提供碳纖維材料的小組件，如內(nèi)飾門板、后視鏡殼、排擋桿、門把手、空氣套件、賽車座椅等[6-7]。

2.2.3 復(fù)合材料

復(fù)合材料是指兩種及兩種以上不同性質(zhì)的材料通過特定的物理或者化學(xué)方法制備得到的一種新材料[8]。與傳統(tǒng)的鐵、鋼、鋁以及橡膠和塑料等材料相比，汽車復(fù)合材料是完全不同的另一類新型材料，具有可設(shè)計(jì)性、強(qiáng)度高、抗疲勞性和減振性好、耐高溫、易成型等優(yōu)點(diǎn)。自1955年Chevrolet Corvette全復(fù)合材料車身的兩座位跑車問世，復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用已有60多年[9]。

車用復(fù)合材料主要可分為短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和薄片增強(qiáng)復(fù)合材料這三類。短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指20mm以下的短切纖維作為增強(qiáng)體形成的復(fù)合材料。纖維無規(guī)則地分布在樹脂基體內(nèi)，增強(qiáng)效果較差，但制造成本相對(duì)較低，例如短玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯基復(fù)合材料。連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料是指包括20mm以上的絲束、非織造布、長(zhǎng)纖維、二維編織物、多向編織物等增強(qiáng)體不樹脂復(fù)合而形成的復(fù)合材料。其中，非織造布、二維編織物、多向編織物等由于織物本身具有骨架結(jié)構(gòu)，與樹脂復(fù)合時(shí)需要考慮樹脂的浸潤(rùn)性，一般用來制作汽車頂棚。長(zhǎng)纖維和絲束作為增強(qiáng)體材料由于具有很好的增強(qiáng)、增韌效果，例如碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鋼，常用作超跑車車身。但由于纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)，與樹脂復(fù)合時(shí)纖維的分布、伸直狀態(tài)等工藝較難控制，制造成本較高。目前，以長(zhǎng)玻纖、碳纖為增強(qiáng)體的復(fù)合材料除了傳統(tǒng)內(nèi)飾件外，在外覆蓋件、底盤等多部位均有應(yīng)用。薄片增強(qiáng)復(fù)合材料：薄片增強(qiáng)復(fù)合材料主要用紙、云母片和玻璃薄片等與基體材料復(fù)合，增強(qiáng)效果介于纖維增強(qiáng)和粒子增強(qiáng)之間[10-11]。

當(dāng)前，復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用十分廣泛，常見的復(fù)合材料部件有車身、燈殼罩、前后護(hù)板、保險(xiǎn)杠、板座椅架及驅(qū)動(dòng)軸等。

2.2.4 汽車運(yùn)行材料

汽車在運(yùn)行過程中需要加入一些的運(yùn)行材料，如機(jī)油、齒輪油、燃料、冷卻液、制動(dòng)液等，以滿足傳動(dòng)的潤(rùn)滑、車輛制動(dòng)、汽車能量的轉(zhuǎn)換和冷卻等工作過程。汽車燃油主要包括柴油、汽油、醇醚類燃料、燃?xì)狻⑸锊裼?、合成油?汽車制動(dòng)液也稱剎車油，主要為合成材料，可分為脂型和有醇醚型兩種。汽車防凍液是一種含有特殊添加劑的冷卻液，按防凍劑的不同，可分為甘油型、酒精型、乙二醇型等。汽車擋風(fēng)玻璃清洗液，也稱玻璃水，其主要的成分有酒精、水、緩蝕劑、乙二醇等，功能是潤(rùn)滑玻璃，防霧，防止結(jié)霜，以及清潔玻璃[12-13]。

3? 汽車材料的發(fā)展

3.1 汽車材料朝著輕量化發(fā)展

相關(guān)研究表明，汽車重量每減少100kg，燃油量可減少0.3～0.5L/（100km），CO2的排放量可降低 8～11g/（100km）[14]。因此，汽車輕量化對(duì)于汽車節(jié)能減排具有非常重要的意義，也成為了未來汽車發(fā)展的重要方向。汽車材料輕量化是汽車輕量化的關(guān)鍵，未來汽車材料將朝著輕量化發(fā)展，一些輕質(zhì)材料，如碳纖維、鋁合金、鎂合金、塑料在汽車結(jié)構(gòu)部件及重要零部件的應(yīng)用將越來越廣泛。

3.2 汽車材料朝著高性能、多元化方向發(fā)展

科技的發(fā)展，推動(dòng)汽車材料的更新變革，汽車材料的品種與性能日趨多樣化。金屬材料仍將是汽車制造的主要材料，一些高性能金屬材料將成為汽車材料研發(fā)應(yīng)用的重點(diǎn)，例如高強(qiáng)度鋼、特殊性能合金等。復(fù)合材料由于具有可設(shè)計(jì)性，未來在汽車制造過程中的應(yīng)用將越來越廣泛，例如碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等。

3.3 汽車材料朝著綠色環(huán)保發(fā)展

綠色環(huán)保是21世紀(jì)人類可持續(xù)發(fā)展的重要主題，未來汽車材料將朝著綠色環(huán)保的方向發(fā)展，綠色輪胎、綠色塑料、綠色復(fù)合材料的應(yīng)用將越來越廣泛。

4? 結(jié)語

綜上所述，汽車材料與汽車性能息息相關(guān)，未來汽車材料將朝著輕量化、高性能、多樣化、綠色環(huán)保的方向發(fā)展。輕質(zhì)金屬材料、高性能金屬材料、綠色環(huán)保高分子材料、高性能輕質(zhì)復(fù)合材料等新型材料是未來汽車材料的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪官鋒，彭林輝.淺論材料發(fā)展史與國(guó)防科技發(fā)展史的聯(lián)系[J].科技信息：學(xué)術(shù)研究，2008（04）：65-66.

[2]李娜.汽車常用材料應(yīng)用及發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2020（10）.

[3]邱婧，李龍輝.淺談汽車材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].時(shí)代汽車，2017（24）：21-22.

[4]盧振生，呂關(guān)想，史愛平，等.淺談金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用[J].時(shí)代汽車，2020（07）：49-50.

[5]王維.車用材料現(xiàn)狀及發(fā)展新趨勢(shì)[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2018（10）：8-12.

[6]張曉虎，孟宇，張煒.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]. 纖維復(fù)合材料，2004，21（001）：50-53.

[7]黎小平， 張小平， 王紅偉. 碳纖維的發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 高科技纖維與應(yīng)用， 2005（05）：28-34.

[8]杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007（01）：1-12.

[9]郭玉琴， 朱新峰， 楊艷，等.汽車輕量化材料及制造工藝研究現(xiàn)狀[J].鍛壓技術(shù)，2015，40（03）：1-6.

[10]方鯤，孟秀青，王建軍，等.高性能化的碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化應(yīng)用新進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2020（02）：63-69.

[11]鄭學(xué)森.國(guó)內(nèi)汽車復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀與未來展望[J].玻璃纖維，2010（3）：35-42.

[12]刁立福.汽車運(yùn)行材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車技術(shù)，2005（07）：29-33.

[13]周娟英.在特殊條件下汽車運(yùn)行材料的選擇[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2014（07）：193-195.

[14]范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014，5（01）：1-16.