【觀點(diǎn)】“雙碳”目標(biāo)下，汽車(chē)材料的應(yīng)用和發(fā)展方向

整體來(lái)看，在全球節(jié)能與環(huán)保的大勢(shì)所趨下，汽車(chē)材料的應(yīng)用和發(fā)展始終圍繞著“綠色、低碳、輕量化”這一大方向。本文整理了業(yè)界相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者和企業(yè)高層，分別基于自己的研究領(lǐng)域?qū)δ壳捌?chē)新材料的應(yīng)用和發(fā)展做的深度分析，主要集中在碳纖維復(fù)合材料、高性能纖維、汽車(chē)用輕合金材料、碳陶復(fù)合材料等輕量化材料，以及低碳橡膠材料等綠色低碳材料，并對(duì)汽車(chē)材料的工藝技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行了闡述。

中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)羅軍民認(rèn)為，我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的輕量化、智能化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化具備先發(fā)優(yōu)勢(shì)，但是在關(guān)鍵材料上還存在短板，需要原材料等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的支撐，并與汽車(chē)領(lǐng)域之間架設(shè)有效“橋梁”，促進(jìn)材料與汽車(chē)的融合創(chuàng)新，支撐汽車(chē)工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

東華大學(xué)教授、纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任余木火和中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司、中國(guó)工程院院士蔣士成，都對(duì)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用和進(jìn)展進(jìn)行了研究。

去年我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，倒逼CFRP（碳纖維復(fù)合材料）在量產(chǎn)車(chē)型的應(yīng)用步伐加快。當(dāng)前我國(guó)碳排放達(dá)110億噸，其中電力占40%，汽車(chē)碳排放占7%，石油（70%用于汽車(chē)燃油）占15%，汽車(chē)節(jié)能降耗減排迫在眉睫，任重道遠(yuǎn)。而輕量化是節(jié)能減排的必由之路，隨著碳纖維產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，技術(shù)不斷進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，成本不斷降低，CFRP將成為汽車(chē)輕量化的重要途徑之一。

目前，汽車(chē)主機(jī)廠、零部件企業(yè)、材料供應(yīng)商、碳纖維制造企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)等，均認(rèn)同碳纖維在汽車(chē)輕量化的重要作用和發(fā)展前景。其中很多主機(jī)廠已經(jīng)從研發(fā)樣件、樣車(chē)，到尋求量產(chǎn)車(chē)型應(yīng)用碳纖維的整體解決方案，比如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自動(dòng)化量產(chǎn)、批量應(yīng)用示范等。

從研發(fā)進(jìn)展來(lái)看，我國(guó)已經(jīng)突破量產(chǎn)車(chē)型應(yīng)用碳纖維的技術(shù)經(jīng)濟(jì)瓶頸，一批量產(chǎn)車(chē)型開(kāi)始使用碳纖維零部件，并出現(xiàn)了車(chē)用CFRP生產(chǎn)企業(yè)。在汽車(chē)主機(jī)廠中，如國(guó)新全碳纖維車(chē)身及其自動(dòng)化生產(chǎn)線，上汽、北汽、長(zhǎng)安、吉利、蔚來(lái)、特斯拉等量產(chǎn)車(chē)型已開(kāi)始應(yīng)用CFRP零部件；同時(shí)涌現(xiàn)出一批CFRP零部件生產(chǎn)供應(yīng)企業(yè)，如澳盛科技、亨睿、卡萊、華漁傳動(dòng)科技等，都已建立了低成本自動(dòng)化量產(chǎn)零部件應(yīng)用示范生產(chǎn)線。

蔣士成院士建議，國(guó)家應(yīng)加大支持力度，建立中國(guó)汽車(chē)輕量化CFRP技術(shù)體系和供應(yīng)鏈體系，形成量產(chǎn)車(chē)型應(yīng)用示范效應(yīng)，包括：碳纖維低成本化，汽車(chē)專(zhuān)用高模量低成本碳纖維；CFRP模塊化設(shè)計(jì),減少零部件數(shù)量，降低自動(dòng)化生產(chǎn)難度；攻克碳纖維與金屬混雜結(jié)構(gòu)難題；研發(fā)CFRP低成本化自動(dòng)化量產(chǎn)技術(shù)與裝備，提高成型節(jié)拍（快速固化樹(shù)脂、熱塑性復(fù)合材料），降低CFRP成型成本。

作為碳陶復(fù)合材料的研發(fā)機(jī)構(gòu)之一，中南大學(xué)教授、湖南世鑫新材料有限公司董事長(zhǎng)肖鵬團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，乘用車(chē)碳陶制動(dòng)盤(pán)目前所存在的問(wèn)題是高成本。高成本限制了乘用車(chē)碳陶盤(pán)的推廣和應(yīng)用，目前國(guó)產(chǎn)碳陶盤(pán)應(yīng)用主要集中在改裝車(chē)這個(gè)領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)碳陶盤(pán)的低成本制備，建議可以從以下五個(gè)維度著手。

首先是原材料方面，碳陶盤(pán)原材料成本大部分源自碳纖維，這部分可以通過(guò)優(yōu)化碳纖維的牌號(hào)和含量來(lái)實(shí)現(xiàn)原材料成本的降低。

其次是制備工藝方面，長(zhǎng)纖盤(pán)制備周期長(zhǎng)主要受限于熱工藝，而熱工藝又包含CVI增碳工藝和反應(yīng)熔滲陶瓷化工藝，可以通過(guò)開(kāi)發(fā)多料柱限域CVI工藝和快速熔融工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)周期的大幅度降低。

第三是智能化方面，因?yàn)樘继毡P(pán)的加工不同于傳統(tǒng)金屬盤(pán)，陶瓷組分的存在使其加工難度大和加工效率低。目前國(guó)內(nèi)碳陶盤(pán)的機(jī)械加工多為非智能化生產(chǎn)，通過(guò)智能化在線檢測(cè)和生產(chǎn)可以大幅度提高生產(chǎn)效率，進(jìn)一步降低成本。

第四是新工藝和新方法方面，也有很多工作可以做。當(dāng)前長(zhǎng)纖盤(pán)預(yù)制體是從方板上面切割下來(lái)，這樣會(huì)形成中間和四個(gè)角五塊余料，導(dǎo)致整個(gè)原材料的利用率非常低。中南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)目前正在開(kāi)發(fā)近尺寸預(yù)制體成型工藝，該工藝可以直接制備出環(huán)形坯體和通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)，這樣就可以大大提高原材料的利用率，同時(shí)還可以減少制動(dòng)盤(pán)的機(jī)械加工量，大幅度降低制備成本。

第五個(gè)方面是能源價(jià)格。因?yàn)橹苽涮继毡P(pán)熱工藝所需的溫度高且時(shí)間長(zhǎng)，用電量是非常大的，所以如果能夠爭(zhēng)取到優(yōu)惠的能源專(zhuān)項(xiàng)價(jià)格，對(duì)于碳陶盤(pán)的成本降低非常有幫助。

除了上述碳纖維復(fù)合材料和碳陶復(fù)合材料外，還有其他多種車(chē)用改性新材料。金發(fā)科技股份有限公司對(duì)汽車(chē)行業(yè)改性新材料的發(fā)展趨勢(shì)做了說(shuō)明。

從車(chē)用塑材開(kāi)發(fā)的新需求來(lái)講，主要技術(shù)包括輕量化、復(fù)材、美學(xué)技術(shù)、創(chuàng)新功能、創(chuàng)新彈性體、創(chuàng)新特種材料等。

其中輕量化的技術(shù)特點(diǎn)是首先有一個(gè)薄壁化的工程，比如保險(xiǎn)杠慢慢過(guò)渡到更薄的，既能實(shí)現(xiàn)高減重，又能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍的提高。

還有一個(gè)輕量化的方案就是微發(fā)泡，包括成型方式，有一次性的欠注，還有滿(mǎn)注成型，再通過(guò)松退，實(shí)現(xiàn)中間層的發(fā)泡，類(lèi)似于三明治的結(jié)構(gòu)。

增強(qiáng)材料也有一些對(duì)高性能玻纖使用的提升，可以有10%-20%的性能提升。它長(zhǎng)期的耐疲勞性表現(xiàn)也很好，甚至超越了長(zhǎng)玻纖的材料。

全塑車(chē)身結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方面，以尾門(mén)為例，內(nèi)板和外板用聚丙烯改性的材料，通過(guò)焊接的方式，實(shí)現(xiàn)整體的減重。其中內(nèi)板還要考慮更多，比如鋼度、強(qiáng)度、耐疲勞性，甚至要求有很好的散發(fā)特性。

納米注塑，類(lèi)似通過(guò)二次注塑的形式，金屬嵌件的形式，逐漸替代金屬，達(dá)到減重的目的，大部分以工程材料為主，包括PPS、PBT等等。
另外在功能方面，有電磁屏蔽材料，既能實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，又能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱，具有很廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于制件的表面標(biāo)識(shí)，可以實(shí)現(xiàn)激光打標(biāo)的材料也很多。還有透波類(lèi)的，應(yīng)用于保險(xiǎn)杠相關(guān)的雷達(dá)組件，可以減少對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響。

上海交通大學(xué)研究員、輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心副主任蔣海燕針對(duì)中心在鋁合金和鎂合金等汽車(chē)用輕合金材料的研究成果，提出輕量化是解決能源和環(huán)保等全球性問(wèn)題的必然選擇。

對(duì)于車(chē)身結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，其要求優(yōu)異的強(qiáng)度與塑性，對(duì)材料要求較為嚴(yán)格。然而目前的車(chē)身零件仍以鋼和鐵制件為主，工藝以鍛造和沖壓為主，而鋁合金車(chē)身結(jié)構(gòu)件需滿(mǎn)足“三位一體”的性能要求。丁文江院士團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于目前的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，突破性的技術(shù)路線當(dāng)屬“Silafont?-36合金+高真空壓鑄+后續(xù)T7熱處理”。

目前壓鑄鋁合金車(chē)身結(jié)構(gòu)件存在的問(wèn)題是“強(qiáng)度低+高真空+熱處理變形”，解決途徑為“非熱處理高強(qiáng)高韌合金+簡(jiǎn)單可控壓鑄工藝”。因此，開(kāi)發(fā)非熱處理高強(qiáng)韌壓鑄鋁合金，拓寬其在承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，對(duì)鋁合金材料提出更高的要求。
另一個(gè)汽車(chē)用輕合金材料——鎂合金具有比重小、比強(qiáng)度高、比剛度高、吸振降噪、電磁屏蔽、容易回收等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，汽車(chē)上可采用鎂合金的零部件可達(dá)60~100個(gè)，從變速箱外殼、汽缸蓋，到儀表板、轉(zhuǎn)向架，廣泛應(yīng)用于傳動(dòng)、引擎、車(chē)體、底盤(pán)等系統(tǒng)的多個(gè)部件。
隨著鎂合金新材料和成型新技術(shù)的進(jìn)展，鎂合金在汽車(chē)、3C產(chǎn)品、手動(dòng)工具等領(lǐng)域的需求將會(huì)不斷增多。同時(shí)，隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)、低碳經(jīng)濟(jì)要求的不斷提升和我國(guó)節(jié)能減排力度的不斷加強(qiáng)，鎂合金及鎂加工產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)其發(fā)展的黃金時(shí)機(jī)。

近幾年，隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，對(duì)輪胎的綠色化提出了要求，因?yàn)檩喬ヒ灿斜容^嚴(yán)重的碳排放問(wèn)題。所以作為新一代輪胎，必須要實(shí)現(xiàn)綠色化。
北京化工大學(xué)教授王朝團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的研究，針對(duì)輪胎用橡膠的碳排放問(wèn)題給出了一些應(yīng)對(duì)策略。其中最重要的是通過(guò)原材料控制，來(lái)達(dá)到降低碳排放的目的。

北京化工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)近些年致力于開(kāi)發(fā)第二代天然橡膠，在我國(guó)的新疆和哈薩克斯坦邊界地區(qū)找到了一些野生的橡膠草，叫蒲公英橡膠草，其膠乳跟天然橡膠樹(shù)的膠乳是一樣的。目前，利用蒲公英提取的橡膠已經(jīng)成功制造了輪胎，并獲得了比較高的關(guān)注。

北京化工大學(xué)副校長(zhǎng)、教授張立群首次提出了“生物基工程彈性體”的概念。設(shè)計(jì)合成了原創(chuàng)的生物基衣康酸酯彈性體和生物基聚酯彈性體。其中生物基衣康酸酯橡膠產(chǎn)量比較大，成本較低，通過(guò)酯化實(shí)現(xiàn)了非常多的結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控。利用這種橡膠做出的輪胎已進(jìn)行了跑車(chē)實(shí)驗(yàn)，濕抓、抗?jié)窕⒒炷翜y(cè)試均得到了雙B級(jí)。

另一種生物基聚酯橡膠材料是可降解的，用生物基可降解聚酯橡膠做輪胎，是北京化工大學(xué)獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)的全球首批次的可降解輪胎。

當(dāng)然，除了原材料之外，針對(duì)綠色助劑的開(kāi)發(fā)，對(duì)廢橡膠的回收利用，以及更節(jié)油的輪胎，對(duì)降低輪胎的碳排放都有助益。

東風(fēng)汽車(chē)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心質(zhì)量驗(yàn)證中心非金屬材料室室經(jīng)理熊芬結(jié)合東風(fēng)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，對(duì)“雙碳”背景下的汽車(chē)新材料發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

“雙碳”背景下，電動(dòng)化、智能化、輕量化成為必然趨勢(shì)。為了提高新能源汽車(chē)?yán)m(xù)航里程，對(duì)一些碳纖維材料提出了比較高的要求。圍繞著“三電”系統(tǒng)，介電材料、導(dǎo)熱材料、電磁屏蔽的開(kāi)發(fā)也提上了日程。

而對(duì)于智能化來(lái)說(shuō)，特別是智能駕駛、智能座艙等，對(duì)智能材料從集成性、功能性、裝飾性三大方面也提出了更高的要求。未來(lái)肯定要打造一些個(gè)性化的需求，所以在智能方面的材料技術(shù)，以及涂裝的材料，特別是一些雙阻力的材料，或者高減震的材料，需求大幅提升。
從目前的整車(chē)材料分布比例來(lái)看，整車(chē)構(gòu)成材料種類(lèi)高達(dá)40多種，其中，金屬材料占比72%，非金屬材料包括油漆、輪胎等相關(guān)材料占比28%。從整車(chē)材料發(fā)展趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，今后的發(fā)展方向是輕量化，在這方面也提出了比較高的要求。現(xiàn)在輕量化方面還是主要圍繞上裝和下裝的開(kāi)發(fā)，比如混合車(chē)身、鋁材料底盤(pán)。
另外，在車(chē)內(nèi)內(nèi)飾部分，因?yàn)橐嵘恍┦孢m性，所以像透光皮革，也成為未來(lái)內(nèi)飾發(fā)展的趨勢(shì)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了透光表皮中控扶手，能夠滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)整個(gè)區(qū)域軟處包覆的要求。

汽車(chē)材料工藝技術(shù)現(xiàn)階段的實(shí)現(xiàn)路徑主要包含結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及高強(qiáng)鋼、輕金屬、工程塑料、復(fù)合材料及其相關(guān)的各種成形工藝技術(shù)，而未來(lái)的發(fā)展方向則要聚焦與優(yōu)化設(shè)計(jì)和多材料混合應(yīng)用。