“双碳”及电动汽车大增长背景下，车用材料的方向有哪些？

我国汽车产业在经过了多年高速增长后，正进入产业转型和技术升级的新时期。在“双积分”法规以及新能源汽车产业政策的双重驱动下，车用材料也迎来了新的发展机遇。传统以钢为主的汽车用材结构，正向钢铝混合、全铝车身、塑料复合材料和镁合金等多材料混合应用的趋势发展。

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特斯拉Model X

整体来看，在全球节能与环保的大势所趋下，汽车材料的应用和发展始终围绕着“绿色、低碳、轻量化”这一大方向。接下来，我们对车用改性塑料、碳纤维复合材料、碳陶复合材料等轻量化材料，以及低碳橡胶材料等绿色低碳材料进行简单介绍，并对汽车材料的工艺技术发展及应用进行阐述。

车用改性塑料

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从车用塑材开发的新需求来讲，主要技术包括轻量化、复材、美学技术、创新功能、创新弹性体、创新特种材料等。

其中轻量化的一个方向是薄壁化的工程，比如保险杠慢慢过渡到更薄的，既能实现减重，又能实现生产效率的提高。还有一个轻量化的方案就是微发泡，包括成型方式，有一次性的欠注，还有满注成型，再通过松退，实现中间层的发泡，类似于三明治的结构。

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对于微孔发泡主要有注塑微发泡、吹塑微发泡和挤出微发泡等，注塑微发泡适用于各种汽车内外饰件，如车身门板、尾门、风道等；挤出微发泡适用于密封条、顶棚等；吹塑微发泡适用于汽车风管等。利用微发泡技术可使PP制品的质量减少约10%～20%?，较传统材料在部件上可实现最高50%的减重。

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增强材料中对高性能玻纤的使用，可以使材料有10%-20%的性能提升。它长期的耐疲劳性表现也很好，甚至超越了长玻纤的材料。

全塑车身结构的应用方面，以尾门为例，内板和外板用聚丙烯改性的材料，通过焊接的方式，实现整体的减重。其中内板还要考虑更多，比如钢度、强度、耐疲劳性，甚至要求有很好的散发特性。

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图源：中国汽车材料网

纳米注塑，是由日本大成普拉斯株式会社（Taisei Plas）研发问世，2004年实现商业化应用，类似通过二次注塑的形式，金属嵌件的形式，逐渐替代金属，达到减重的目的，大部分以工程材料为主，包括PPS, PBT等等。

另外在功能方面，有电磁屏蔽材料，既能实现电磁屏蔽，又能实现导热，具有很广阔的应用前景。对于制件的表面标识，可以实现激光打标的材料也很多。还有透波类的，应用于保险杠相关的雷达组件，可以减少对雷达信号的影响。

碳纤维复合材料

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去年我国“双碳”目标的提出，倒逼CFRP ?(碳纤维复合材料)在量产车型的应用步伐加快。

当前我国碳排放达110亿吨，其中电力占40%，汽车碳排放占7%，石油(70%用于汽车燃油)占15%，汽车节能降耗减排迫在眉睫，任重道远。而轻量化是节能减排的必由之路，CFRP因其高性能低密度的优势，将成为汽车轻量化的重要途径之一。

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图源：日经技术在线

目前，汽车主机厂、零部件企业、材料供应商、碳纤维制造企业、研发机构等，均认同碳纤维在汽车轻量化的重要作用和发展前景。其中很多主机厂已经从研发样件、样车，到寻求量产车型应用碳纤维的整体解决方案，比如结构设计、自动化量产、批量应用示范等。

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从研发进展来看，一批量产车型开始使用碳纤维零部件，并出现了车用CFRP生产企业。在汽车主机厂中，上汽、北汽、长安、吉利、蔚来、特斯拉等量产车型已开始应用CFRP零部件；同时涌现出一批CFRP零部件生产供应企业，如澳盛科技、亨睿、卡莱、华渔传动科技等，都已建立了量产零部件示范生产线。

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专家建议，国家应加大支持力度，建立中国汽车轻量化CFRP技术体系和供应链体系，形成量产车型应用示范效应，包括：碳纤维低成本化，汽车专用高模量低成本碳纤维；CFRP模块化设计，减少零部件数量，降低自动化生产难度；攻克碳纤维与金属混杂结构难题；研发CFRP低成本化自动化量产技术与装备，提高成型节拍(快速固化树脂、热塑性复合材料)，降低CFRP成型成本。

碳陶复合材料

碳/陶复合材料是由碳纤维、陶瓷纤维及其织物作为增强相，以石英、长石、碳化硅等陶瓷作为基体相的一类复合材料的总称。

碳/陶材料不仅具有高性能陶瓷的高强度、高模量、高硬度、耐冲击、抗氧化、耐高温、耐酸碱和所有化学物质腐蚀、热膨胀系数小、比重轻等优点，同时还完全克服了一般陶瓷材料的脆性大、功能单一等缺点，是世界上公认的理想的高温结构材料、摩擦材料以及深冷材料，碳陶复合材料可在乘用车制动盘上取得应用。

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乘用车碳陶制动盘目前问题是高成本，限制了乘用车碳陶盘的推广和应用，目前国产碳陶盘应用主要集中在改装车。实现碳陶盘的低成本制备，可以从五个维度着手。

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图源：深圳市勒马制动科技

首先是原材料方面，碳陶盘原材料成本大部分源自碳纤维，这部分可以通过优化碳纤维的牌号和含量来实现原材料成本的降低。

其次是制备工艺方面，长纤盘制备周期长主要受限于热工艺，可以通过开发多料柱限域CVI工艺和快速熔融工艺来实现生产周期的大幅度降低。

第三是智能化方面，陶瓷组分的存在使碳陶盘加工难度大和加工效率低。通过智能化在线检测和生产可以大幅度提高生产效率，进一步降低成本。

第四是新工艺和新方法方面，也有很多工作可以做。当前长纤盘预制体是从方板上面切割下来，这样会形成中间和四个角五块余料，导致整个原材料的利用率非常低。

第五个方面是能源价格。因为制备碳陶盘热工艺所需的温度高且时间长，用电量是非常大的，所以如果能够争取到优惠的能源专项价格，对于碳陶盘的成本降低非常有帮助。

轮胎用绿色低碳橡胶材料

因为轮胎也有比较严重的碳排放问题。所以作为新一代轮胎，也要实现绿色化。

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北京化工大学研究团队近些年致力于开发第二代天然橡胶，在我国的新疆和哈萨克斯坦边界地区找到了一些野生的橡胶草，叫蒲公英橡胶草，其胶乳跟天然橡胶树的胶乳是一样的。目前，利用蒲公英提取的橡胶已经成功制造了轮胎，获得了比较高的关注。

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蒲公英橡胶草 ?图源：玲珑轮胎

北京化工大学副校长、教授张立群首次提出了“生物基工程弹性体”的概念。设计合成了原创的生物基衣康酸酯弹性体和生物基聚酯弹性体。其中生物基衣康酸酯橡胶产量比较大，成本较低，通过酯化实现了非常多的结构和性能的调控。利用这种橡胶做出的轮胎已进行了跑车实验，湿抓、抗湿滑、混凝土测试均得到了双B级。

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图源：轮胎手记

另一种生物基聚酯橡胶材料是可降解的，用生物基可降解聚酯橡胶做轮胎，是北京化工大学独立自主开发的全球首批次的可降解轮胎。

当然，除了原材料之外，针对绿色助剂的开发，对废橡胶的回收利用，以及更节油的轮胎，对降低轮胎的碳排放都有助益。

汽车新材料发展趋势

“双碳”背景下，电动化、智能化、轻量化成为必然趋势。为了提高新能源汽车续航里程，对一些碳纤维材料提出了比较高的要求。围绕着“三电”系统，各种新材料的开发也提上了日程。

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图源：汽车动力总成

在这三项技术中，电池又是最重要的，它影响到汽车单次充电的行驶里程、汽车的生产成本等。电机、电控技术则相对比较成熟。而电池系统涉及的材料种类、性能要求与传统车均有较大不同。比如隔膜、正负极材料、模组材料、箱体材料、胶粘材料、隔热材料、电气系统材料等等。

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电池电芯组成图图源：汽车动力总成

而对于智能化来说，特别是智能驾驶、智能座舱等，对智能材料从集成性、功能性、装饰性三大方面也提出了更高的要求。未来要打造个性化的需求，所以在智能方面的材料技术，如介电材料、电磁屏蔽材料、表面交互材料、高减震的材料等，需求大幅提升。

从目前的整车材料分布比例来看，整车构成材料种类高达40多种，其中，金属材料占比72%，非金属材料包括油漆、轮胎等相关材料占比28%。从整车材料发展趋势来说，今后的重点发展方向是轻量化，在这方面也提出了比较高的要求。现在轻量化方面还是主要围绕上装和下装的开发，以及电池包的轻量化，比如混合车身、铝材料底盘、SMC材料等。

另外，在车内内饰部分，因为要提升一些舒适，所以像透光皮革，也成为未来内饰发展的趋势。目前已经实现了透光表皮中控扶手，能够满足消费者对整个区域软处包覆的要求。

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汽车材料工艺技术现阶段的实现路径主要包含结构优化设计，以及高强钢、轻金属、工程塑料、复合材料及其相关的各种成形工艺技术，而未来的发展方向则要聚焦与优化设计和多材料混合应用。

参考资料：汽车新材料的应用及发展趋势，郑雪芹??

原文始发于微信公众号（加拿大pc高分子）：“双碳”及电动汽车大增长背景下，车用材料的方向有哪些？

作者li, meiyong

作者 li, meiyong

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