未来汽车行业的发展与材料应用

钟健康

西北工业大学机电学院，陕西西安 710068

1 现在汽车制造的主要材料种类

1.1 钢

什么是钢？钢是以铁和碳为基本元素的铁碳合金，且以铁为主，碳占少于2%的比重的合金。因其具有高强度结构，在汽车生产中，钢常用于提高汽车结构件（车身和底盘）坚硬度的材料，还包括一些重要零件。钢作为汽车生产的主体，它发挥的作用毋庸置疑。现在的汽车生产过程中，钢的主要制造形式有以下几种。最常见的是碳素合金钢，在市场上以其价格便宜和具有其一定力学性能大量用于各种金属构件的制造；低合金高强度结构钢，加入少量合金元素Mn、Si等，形成强度高，加工性能良好的结构钢；优质碳素合金钢，根据其含碳量的不同，具有不同塑性、韧性和强度硬度；合金结构钢，具有合适的淬透性，具有较高的抗拉强度和屈强比。钢铁材料在汽车生产过程中材料所需的比重为80%，而总体金属所需为86%。作为最大的钢铁原料生产国，怎样提高我国自行生产钢铁在汽车制造过程中的材料应用地位，怎么在钢铁的生产和材料创新上取得先机是我国当下应当考虑的重要因素。

1.2 稀缺金属

据悉，在汽车生产过程中，国外的汽车工厂会选择向合金钢中加入铬、镍、钼等金属元素，以及一些含钴量很高的永磁性金属材料。而这些元素都是属于稀缺资源，在可持续发展的道路上，这些元素的应用必将更加符合可持续发展观，节约稀缺资源必将成为指导汽车材料生产和开发的方针。

1.3 铝

毫无疑问，铝是轻量化的首选材料。作为工业中被广泛应用于船舶和飞机制造等领域的金属，铝拥有其自身明显的优势和特点。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入，铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。铝的质量分数只有铁的1/3，生产上由铁向铝转换也比较容易实现，现在汽车的活塞、进气支管、气缸盖、盘轮等都采用了重量轻的铝合金。在美国和欧洲，很多其他汽车组件也由钢铁变成了铝合金，譬如油箱和保险杠，不仅减轻了自身重量，还改善了汽车性能，保险杠用的新铝合金也多次被开发。数据显示，德国的试验车铝合金的使用已经达到全体材料的30%。所以说，汽车的未来发展，离不开这种轻量化材料。

1.4 镁所扮演的角色

镁比铝更加轻，且资源储量都很丰富，镁合金的性能与铝合金相比有过之而无不及。但是对镁的提炼比较难，镁易氧化，即使现在已经拥有效率较为高的锻造工艺，制造成本也在逐渐下降，但是广泛用于汽车生产还是比较困难的。然而显而易见，根据其发展现状，只要将来镁合金价格逐渐合理化，那么在未来的汽车制造上，市场前景一片光明。图1为中国2011年4月份的国民经济主要指标数据。根据图1，我们可以看清金属材料的使用剧增与中国取代美国成为汽车第一大国的关联。

4月份国民经济主要指标数据

图1

1.5 其他汽车生产所需材料

塑料和橡胶在汽车的生产过程中仍占着一个很重要比重，但是众所周知，塑料的可塑性很强，轻巧美观，却很难降解，随着科学发展观的观念深入人心，塑料在不久的将来必会被其他可降解的、符合可持续发展的材料所替代。合成橡胶亦是如此，虽然在现代的工业发展中，这些材料都是十分重要的，但我相信，和DDT一样，这些与人与自然和谐相处主体不符的合成材料必将淘汰。

2 汽车行业的未来发展

2.1 电动汽车高度决定者——锂

随着汽车的性能越来越优越，汽车的购置价格越来越合理，并且凭借其在交通上的重要地位，我们有理由相信汽车在近几个世纪的发展都将备受重视。科学技术的发展使得人们对太阳能、风能等自然资源的利用逐渐升级。伴随而来的，我们未来的汽车制造、作用于生活必将不以燃烧一次性能源为基础，也不以破坏环境为代价。锂等新金属的重要应用，使得太阳能汽车的发展有了实质性的跨越。很多人会怀想将来的汽车能够在天空中翱翔，我认为这并不是不现实。飞机不就是这么来的吗？随着我国石油、煤等资源的告罄，锂在太阳能汽车的生产中扮演的角色将会越发的重要。锂的性能优越，并且锂离子电池的研究技术更加精湛成熟，十分适用于未来汽车的动力提供。毫不夸张地说，锂将决定电动汽车的未来高度。

2.2 核能的新设想——汽车供能者

核能的发展也该是一个很重要的汽车制造拼图版块。假设将来能够在汽车中应用铀等核元素，那么我们的出门交通将更加方便，也会更加环保。获得铀是非常复杂的系列工艺，要经过探矿、开矿、选矿、浸矿、炼矿、精炼等流程，而浓缩分离是其中最后的流程，需要很高的科技水平。事实上我们并不缺乏铀这一重要的核元素的化合物。如何改善提炼技术，将3%的低浓度铀用现代技术应用于汽车动力提供，是十分值得研究的。

2.3 汽车新贵——复合材料

复合材料的出现，是汽车制造上的一个新起点，新挑战。作为近些年发展最快，市场需求不断升级的中国来说，复合材料的投入使用，将会对洗车工业产生又一轮革新。以长纤维加强型复合材料结构为代表的复合材料及新技术，将会在汽车领域发挥其作用，主要可以体现在三方面：一是电动车领域，据悉欧洲一些研发机构在开发过程中，对电动车采用碳底盘，这一方法能够使得比采用传统材料底盘的车型至少减轻300kg，大大改善汽车质量，提高安全性能。其二是传统汽车领域，目前欧洲的更多车型已经采用热塑固件，这种复合材料更容易循环处理和使用，综合效果比普通的热固件效果更好。其三是在生物材料领域，如木材、棉花等天然生物材料，用以替代玻璃和碳纤维的天然纤维。凭借复合材料的优越性能，显然不久的将来我们就能够做到汽车领域材料的重复利用创新。

2.4 拜耳材料

或许我们对拜耳材料科技会感到陌生，但是实际上，我国早已引进并应用在列车的制造上。为了迎合可持续发展和环境友好的需要，国家引进了国际上最为先进的水性涂料及胶粘剂材料、聚碳酸酯材料、聚氨酯复合材料的相关技术及其应用，这些都是目前应用于高速列车上的高端技术材料。实际上，胶粘剂在汽车制造中的应用优势也非常多，例如降低车体重量、降低噪音、取代铆接，焊接等传统工艺、提高生产效率等等。拜耳绿色粘接技术不但有着这些优势，还有环境保护这样独一无二的好处，为环保友好型产品的不二选择。聚碳酸酯有着透明、优良的冲击强度、良好的耐热性和电性能、出色的尺寸稳定性、低吸水率、低成型收缩率、低热传导率和良好的电阻特性等等。举一个例子，Baypreg®：一种高强轻质的聚氨酯复合材料，有着极高的强度同时密度很低，尺寸稳定性和耐热性好并且有着极高的生产效率。可以使用在汽车后备箱上，达到承重好又轻质的搁物板的目的。若是将这些有着独特的机械性能和绝热性能完美结合的聚氨酯硬泡——最有效的保温隔热材料，应用于汽车上，我相信会给汽车的未来发展添上浓墨重彩的一笔。这些具有优越性能的材料，在保护环境的同时，也会给新汽车的制造带去新的元素和新的生产活力，满足人们更多的需求。

3 结论

随着我国市场经济的发展，汽车已经开始以蔓延的方式走进千家万户，交通发展上我们越来越向发达国家靠拢。然而在汽车行业上的专业技术短板，已经让我国吃足了苦头，各项专利像一座座大山压制着中国的汽车经济发展，征收大股份的盈利额，以逸待劳。汽车行业的扶持发展和开发创新也一直是我国近年来科教兴国的主要针对对象之一。近世纪的工业快速发展，使得煤、石油等一次性能源在全球大量的消耗利用。这些资源的告罄，也预示着新旧能源已急需更替。紧随时代脚步，将这些技术应用于汽车制造，是如何在未来的汽车行业发展中取得先机的重要因素。秉着可持续发展和环境友好的原则，我们应该重视新能源的开发和利用。我认为，应将太阳能汽车的宠儿——锂、核元素——铀、新型复合材料、传统材料的创新和循环利用，作为汽车未来发展的材料研究重点。

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