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专题 | 陈光祖:没有新材料应用,未来汽车将成空谈
2017-10-25 16:51:40 作者:王元 来源:《腐蚀防护之友》

     近来,国际汽车界流行着对新兴材料工程的一种形象说法:“一代新材料、一代新汽车。”汽车产业的现代化建设,离不开众多高科技新兴材料工程的支撑,可以说当代汽车产业在推动的新一轮产业革命中,它正扮演着基础和先导的重要角色。


    什么是新兴的材料工程呢?

    新兴的材料工程指的是已出现和应用或正在研发中,拥有传统材料不具备的优导性和特殊功能的材料,但它又突破了传统材料的局限性,成为拓展汽车产业颠覆性创新驱动和巨大发展的推动力。

    目前的新兴材料工程有两大类型

    一是在自然资源中新发现和应用的高水平新型材料;二是广泛应用多种高科技手段,经过合成或加工的新型材料,往往是一种复合型材料,后者正在迅速发展中,将居主导地位。

    新兴材料工程的特征是:重点应用于汽车轻量化上,新材料应具有绿色、低碳、可循环利用,可回收的,无公害的材料性能;其结构应是多元化,多元素、多样化的以复合组成方式出现。因此,它的跨界度很大,科技和信息融合度很高。

    未来的应用范围将不仅限于传统汽车的改造升级,汽车发展新领域诸如新能源汽车,自动驾驶汽车上都将应用新材料。

    新兴材料有哪些?

    液态金属:又叫金属玻璃,它是一种在低温熔炼时,即行固化的非晶态金属。液态金属兼有金属和玻璃的双重性能,成为迄今为止十分强劲的一种材料,如一根 4mm 粗的液态金属棒,可以悬吊起了 3 吨物体,并能在强酸,强碱环境中无损完好地运作,而它的硬度却像玻璃那样,十分坚硬具有相当好的耐磨性和耐用性。当前,跨国汽车厂商已将其用于制造高强度、抗耐磨、抗疲劳、抗腐蚀的汽车零件。

    高档次的碳纤维复合材料:是指含碳量高于 90% 的无机高分子纤维,其中含碳量达 99% 的叫石墨纤维。这种类型材料强度比一般的钢还高、而弹性模量又很大、疲劳强度高、耐冲击性能好、化学性能稳定、耐水耐湿气好、摩擦系数小、耐高温。在汽车上可用于制造车身、壳体、还可用于制造齿轮、轴承、密封圈、容器等零部件。应用碳纤维复合材料制造车身和框架,车身的重量可能比铝合金车身还减轻 1/2,而强度则比常用的钢材结实 10 倍。

    精细工业陶瓷:原料是天然或人工合成的无机物构成,形成良好的导热性、低热膨胀、高刚度、硬度、强度和电学性能。在活塞顶部、气门、增压器、转子、发动机排子管、气缸套内壁等都喷涂上精细工业陶瓷,在很大程度上达到“节能减排”目的。在传感器上也不少应用精细工业陶瓷,比如在难度较大的氧传感器上应用,能很好提高检测的灵敏度。

    高分子材料:由相对分子质量较高的化合物构成的材料,如我们熟识的塑料、橡胶、纤维、涂料和高分子复合材料等,这些在汽车上应用较多。当前对高性能塑料、合成橡胶、生物纤维、纳米纤维、新聚合物纤维、高质量涂料和黏合剂等都寻求在汽车领域深入应用。如塑料燃油箱已广泛应用于乘用车上,这种高绝缘,耐高温、没有焊缝,可随意改变形状布置在底盘上,在万一撞击时也不易破裂,国内已大量生产供应。

    超级的光电材料与器件:这些范围较广,包括半导体,超导、电阻、绝缘,软磁、永磁、激光、测温、声学、电能、记忆,红外光等等超功能的材料。光电材料和元器件面太广宽,深度太大,只能从与汽车关系更为密切的半导体芯片来讲。

    从汽车微电子时代发展经历来看与半导体的芯片有很大关系,大致可用五个阶段来探索:

    第一阶段,1947 年半导体晶体管诞生,它体积小,效能高、功耗低、重量轻,这样半导体晶体管在上世纪 70 年代相继应用于汽车上,如晶体管收音机,电子点火控制器,交流发电机控制器等,打开了汽车电子序幕,属于汽车电子初期应用年代。

    第二阶段,约在 80 年代末,由于微控制器的发明和应用,通称单片机(MCU),这种高级芯片可以将计算机的微处理器(CPU)中不少元器件功能集中到新型的芯片上,大大提升了汽车电子器件的应用效率和功能,如汽车发动机电子喷油系统控制、自动变速箱电子控制、汽车防抱死系统、汽车稳定性控制系统、汽车电控悬架等,汽车电子进入微型化应用时代。

    第三阶段,90 年末,即单片机进入嵌入式应用年代,即电子元器件进入个性化应用年代,使电子控制专业化功能更加深透,应用水平更高,集成度,系统化控制水准更深。嵌入式微处理器也叫 SOC 单片机,从过去的 8 位机为主,进入了 16 位,32 位,个别 64 位高功能应用时代,可以按客户对芯片个性化特色需求进行高功能芯片设计和供给。同时,智能互联时代,SOC 在人、车、路协同运行上将发挥核心作用。

    第四阶段,即新世纪年代信息产业,包括大数据、云计算、大科学、移动互联网众多新兴产业迅速惊人的发展,将可能出现金属、陶瓷、聚合和复合物一类新型纳米材料的芯片,迎接汽车广义的电子控制的时代。

    第五阶段,未来光电芯片发展新阶段。量子型计算机的出现,即利用光电效应和量子纠缠效应协同进行的极速计算,促使光电超导芯片的诞生,计算机数据不再是分步进行,而是同步计算,其运算速度比因特尔奔腾 4 芯片快 10亿秒次。

    纳米材料:处于 1-100 纳米之间的物体,在微电子、光电、化工、制造业、钢铁、航空、航天、医学、陶瓷、复合材料、生态环境等诸多领域应用纳米技术。

    材料之王石墨烯:一种由碳原子紧密堆积和合成的二维晶体,坚硬透明度极好,又有韧性,电阻率极低,防水防热。

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    已知石墨烯可应用在柔性触摸屏、可穿载设备、电子信息、能源存储、航空航天、太空服饰、集成电路与芯片、智能传感器、超级电容、生物医药、防爆轮胎、健康衣服、防火衣等方面,前景宽广。据了解它在锂动力电池的负极,正极,高导电剂电解液,生物性兼容,防火性隔膜,还有高温自闭性,可防火防爆,快速充电等项目应用都在研发中。

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    《中国制造 2025》规划中,将石墨烯作为一种重要新材料,纳入国家重点发展战略中,2013 年 7 月《中国石墨烯产业技术创新联盟》成立,力求促进石墨烯科研的资源优化组合和加快产业化进程,预计 2020 年将超过 1000 亿元。

    第三态金属钛合金:钛的资源丰富,重量轻,比强度高,耐热,耐蚀性好,当前常以钛铝镁等多元素合金出现。钛金合在汽车上还有一些重要用途,如以钛合金代替不锈钢的消声器,以钛合金制造涡轮增压器壳体和叶轮代替镍基合金,也可用于制造汽车上氢气贮藏器。

    专业的磁流变液(MR):一种可控的流体智能材料,具有良好的高磁导率,低磁滞性,可以在极短的时间段(一般在毫秒内)内不断变化,从而达到对某一机械系统控制的目的。

    国际汽车界专家预测,未来的电动汽车应用可能有三大系统:一是轮毂电机直接驱动车轮;二是无线充电,汽车动力电池充电不用电桩,在高速路上有充电道,要充电时汽车驶入充电道自行充电,这种汽车可以一天不停的在奔跑;三是磁流变控制,从部分的智能化应用提升到全自动驾驶上。

    结语
 
    当代汽车产业已进入信息化,网络化,全球化,社会化,大科学的发展年代,为了从基础和先导角度提升汽车产业自主创新水平,我们一定要坚定的按新常态,互联网 + 和制造业 2025 发展规划精神,以改革,创新,融合,共享发展理念,敢于向积存多年的顽疾开刀,敢于触及深层次利益关系和矛盾,坚决冲破思想观念上束缚,坚决破除利益固化藩篱,坚决清除妨碍社会生产力发展的体制障碍,高质量,高度化应用新兴材料工程水平,相信我们可以促使汽车和材料成为鸟之两翼,车之两轮,携起手来走到一起,共同为建设汽车强国再立新功。

    人物简介:
 
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    陈光祖先生是我国汽车界一位资深专家。陈光祖先生早年曾在一汽工作,并担任过中国汽车零部件工业公司副总经理、中汽工程咨询公司总经理、美国华鼎汽车技术贸易公司总裁、中国汽车工业咨询发展公司总经理、中国汽车工业咨询委员会秘书长、北京市政府顾问。他是中国汽车产业发展的见证者和亲历者。

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