超级木材制备新型超轻质汽车外壳的工艺背景及相关情况探究

薛凯琳　陈俞彤　孙桧生　刘喆　陈卓瑶　赵茗悦

摘 要：在当今社会科学技术高速前进的背景下，能源日趋紧张、环境压力加剧，汽车行业能源经济性准入门槛越来越高，无论是传統燃油汽车还是新能源汽车领域，轻量化对于汽车行业的发展具有重要意义。有研究数字显示，汽车车身框架约占汽车总质量的30%，空载情况下，约70%左右的油消耗在车身质量上。因此，车身框架轻量化对于汽车的燃油经济性、车辆控制的稳定性、碰撞的安全性都大有好处。当前，中国汽车工业的可持续发展面临着挑战。汽车轻量化技术作为一种有效的节能手段，已经引起了全球汽车工业的关注。

关键词：超级木质材料;新型汽车;制作工艺;背景及相关情况

马里兰大学胡良兵教授领衔的研究团队发表了一项最新研究成果，他们发明了一种新型处理木材的简单方法，在氢氧化钠和亚硫酸钠溶液中煮沸木材，使植物的细胞壁变硬，同时要保证其整体结构基本完好无损。之后压缩处理木材，直到它的细胞壁坍塌，然后再在木材加热的过程中继续压缩木材。这样的压力激发了组成木材细胞结构的不同形式的原子之间的化学键，这样大大的加强了木材的强度，即可得到“超级木材”。

1 设计理念

该项目的共同负责人、马里兰大学机械学院的副教授李腾解释说，“这种超级木材强度可以与钢铁媲美，但是质量轻了6倍”该团队通过对处理后的木材和天然木材射击子弹来测试其韧性，发现弹丸可以直接穿透天然木材，却不能穿透经过充分处理的这种超级木材。

2 背景及相关情况

减低金属材料在汽车制造中的占比，比如轻金属材料（铝、镁等）或非金属材料（塑料、碳钎维等）。金属材料价格高昂，比如凯迪拉克CT6，采用钢铝混合车身来降低整车重量，提高燃油效率。还有捷豹，福特F150，雪弗兰Corvette等，采用全铝车身。因为铝的价格远远高于钢（钢大概4000到7000一吨，铝板为两万多一吨），非金属材料如塑料，其性能远不能满足汽车的使用。碳纤维的制备工艺较为复杂，能耗较高，尤其是无法量产替代钢材。

该项目中纸质化材料选用超级木材，以其更低的制造成本，生产过程中不会危害环境;并且超级木材的制造选材适用于任何种类的木材。该项目基于这种新型材料加工技术结合汽车外壳制备原理，所得更加“轻质”汽车外壳，因此，超级木材的应用就极具意义，该材料研究能够有效解决上述问题。

利用木头的坚固度及耐用度与钢、钛合金、碳纤维等高强度材料媲美，利用超高强度轻质木材的制备工艺，结合材料加工技术，制备源于超级木材制备新型超轻质木质汽车外壳材料。从而达到减轻汽车质量，节省自然能源，使动力性能更好体现，提升出行安全。

某年11月2日，据新浪科技网报道，日本不再满足于电动汽车可持续发展的需要。日本环境部正在寻找未来汽车设计的下一个发展趋势，由日本环境部支持，在京都大学领导的财团在东京车展上展示了最新的木制汽车。这辆木制汽车是由一种叫做纤维素的纳米纤维材料，包括木材，植物材料，农业废料等等。大多数汽车车身及内饰，如车门、顶棚板、仪表板等，都能清楚地看到木制品，当然不是所有都是木制品，部分车身零件也在这辆车上使用金属、玻璃、橡胶，总车重量仅为传统汽车的一半，其中零配件重量减少了50%以上，整车的重量减少了10%以上，生产过程也大大减少了与汽车制造工业有关的碳排放量，但是目前这辆车主要是汽车的技术引进，更多的系统和性能细节没有被披露。据报道，该车配备了氢燃料电池，车速最高可达120km/h。

国务院办公厅在2019年8月27日，发布《关于加快发展流通促进商业消费的意见》中提到，要求释放汽车消费潜力，实施汽车限购的地区要结合实际情况，探索推行逐步放宽或取消限购的具体措施。有条件的地方对购置新能源汽车给予积极支持。

从政策指引看，未来汽车行业或迎来复苏。目前整个汽车行业经过渠道库存大幅去化，行业库存已经在近几年的底部，随着去库存基本结束，加库周期或受政策刺激开启。行业景气度有望回暖。

而随着我国环保政策力度的不断加大，汽车行业的燃油排放标准也愈加趋于严苛。据工信部规定，我国汽车二氧化碳排放标准将从2015年的155g/km降到2020年的112g/km;而国内乘用车企业燃料消耗从2015年的6.9L/km降到2020年的5.0L/km。

该观点新能源汽车领域一样适用。因为新能源车的电池与燃油比能量差距巨大，电池组重量一般会比燃油发动机重量高2倍以上，目前电动商用车的电池系统重量通常占车辆总重的10%～15%，而乘用车占比高达20%～30%，这直接导致电动汽车相比传统燃油车会增重30%～40%。但如果纯电动汽车整车重量能降低10%，那么平均续航里程将会增加5%～8%，同时损耗成本也可相应下降。

所以，无论从传统汽车的减排还是从新能源汽车增加续航的发展趋势看，轻量化都是一个有效的手段。

不过从汽车行业当前特点看，如果单纯依靠设计的优化已不能满足环保上低耗与减排的要求，所以从行业发展趋势上看，汽车车身的轻量化已成为未来发展的一种趋势。而超级木材的出现更为将来自然可循环种植式材料技术提供了一个重要发展方向。

超级木材在建筑、运输、航天等领域具有替代金属的能力，美国工程院、布朗大学教授高华建作为第三方评估专家，这项研究提出了轻质高性能结构材料的设计巨大潜力，可广泛应用于需要高强度、高韧性和抗冲击的工程应用。“尤其令人兴奋的是，他们对原生木材的处理方法可以简便实施，而且对各种木材都适用。”

3 结语

综上所述，种材料的性能丝毫不逊于钢铁，甚至可以与碳纤维相媲美，除坚固轻便外，它的密度也异常的高，耐压缩、耐刮擦，还有防潮的效果。这意味着“超级木材”的应用不仅局限于家具、汽车、飞机和建筑等领域，装甲、防弹也可能成为它的用武之地，超级木材制备新型超轻质汽车外壳，不仅降低了能耗，提高了汽车的安全性，也符合国家的科学发展方向。

参考文献：

[1]刘清泉.绿色设计理念在水利工程设计中运用分析[J].丝路视野，2017（28）：166.

[2]麦世基.马里兰大学科研团队开发出新型超级木材.工程机械，2018（06）：71.

[3]朱宏敏.汽车轻量化关键技术的应用及发展[J].应用能源技术，2009，02：10-12+34.