罗益锋:降低新材料成本 推动汽车轻量化

2020-7-21 11:32 220 0
简介
宝马、奥迪、捷豹等国际车企都推出了不少轻量化车型。那么,推动我国汽车和新能源汽车轻量化、安全化、低成本化的创新发展,其所需的材料技术的产业化发展如何?在中国新材料技术协会会长罗益锋看来,我们要试图走出 ...


宝马、奥迪、捷豹等国际车企都推出了不少轻量化车型。那么,推动我国汽车和新能源汽车轻量化、安全化、低成本化的创新发展,其所需的材料技术的产业化发展如何?在中国新材料技术协会会长罗益锋看来,我们要试图走出一条跨越式发展和自主创新相结合的道路,为汽车厂家提供技术和材料保障。

当前,我国汽车工业面临约60%与国外合资的现实国情,亟需探讨走出一条快捷发展和具有国际竞争力的途径,这是汽车人和材料人的共同使命。

全球节能环保的新形势给我国汽车产业带来了严峻的挑战和难得的机遇。一方面,新挑战来自美、欧、日用法规明确规定了新出厂车每消耗1L汽油行驶里程数,在2015年、2017年(美国)和2020年不断升级,这是很高的门槛和技术壁垒。同时,国外各种新型电池、燃料电池和空气动力汽车等,即将逐步产业化。另一方面,我国也面临着机遇。我国新能源汽车和动力电池现在有较大发展,汽车的自主创新技术有新的进展,汽车轻量化、安全化、节能化、低成本化和高档化所需的新材料和快速成型技术将有重大突破。因此,我们要试图走出一条跨越式发展和自主创新相结合的道路,为汽车厂家提供技术和材料保障。

毋庸讳言,汽车轻量化、安全化、节能化和智能化是一项复杂的系统工程。除汽车和新能源汽车本身的技术和设备外,仅从汽车结构材料的角度,就涉及到非承力件、承力件、耐高温和耐热氧化性部件、生物自降解部件等高新技术材料。

动力电池的高性能化、轻量化与低成本化,涉及到设计理念的创新和高技术材料的综合利用。而轮胎的轻量化和高性能化,涉及到高性能纤维帘子布替代钢丝和廉价的微纳米陶瓷粉体的应用。此外,汽车的智能化和现代化,更涉及到光纤光栅传感器的综合利用。目前,汽车实现轻量化、安全化、低成本化所需的材料,也开始了其产业化的发展。

轻量化和低成本化的碳纤维增强塑料结构材料

碳纤维增强塑料(CFRP)是唯一可满足2020年国际汽车节能减排指标的新结构材料,可实现车体减重50%-60%的目标。但目前CFRP成本太高,无法大规模应用于汽车工业。

BPH-环氧树脂体系体系的粘度低,在室温下可存放半年以上,可快速制备大型和复杂形状的CFRP部件,尺寸精度高。由BPH生产的CFRP部件的抗冲击性能,比采用以往固化剂高120%-300%,强度、模量和弯曲强度高110%-130%,CFRP的热解其实温度至少高150℃,其汽车承力件的安全性自燃可大幅度提高。

对于碳纤维增强热固性树脂(CFRTP)作为汽车的非承力件,三菱丽阳的成型时间为5min,东丽3min,帝人1min,目前我们正在寻求快速成型的新途径,以降低生产成本。

在CFRP高效低成本新成型工艺技术和设备方面,国外最近开发了纤维自动放置(AFP)和带材自动铺放(ATL)相结合的技术,可大幅度降低投资成本和提高产量。

利于树脂结合的中空微纳米陶瓷粉体添加剂

中空微纳米陶瓷粉体(HMNCP)是以廉价的火力发电厂粉尘滤袋所收集的一级粉煤灰作为起始原料,经高温加工而制得,产品呈浅灰色,其圆形粒子状态,微米级占60%,纳米级占40%左右。

粉体表面有网状结构,有利于树脂结合,粒子内部呈空心状态,但耐压而密度小。HMNCP粉体经表面处理后,添加到汽车用的通用塑料(PP、PE、PVC、N-6、PC、ABS等)部件中,可提高抗冲击性、模量、耐热性、耐磨性、阻燃性、保温性、隔音性和安全性,降低成本。将该粉体添加到汽车涂料中,汽车表面光洁度高且耐划伤,而成本将下降。此外,将该粉体添加到轮胎中可取代炭黑做各种有色轮胎,使售价翻番,会使成本下降,综合性能提高。

高性能低成本的轻量化动力电池

目前,波恩项目投资有限公司与德国合资的固体钒动力电池(V-电池),采用了全新的设计理念,目前正处于中试阶段。

这种电池无需充电,靠纳米VB2粉体与空气中的氧在催化剂存在下发生反应产生电流,一个分子能产生11个电子,因此能量密度极高。V-电池的体积能量密度约为汽油的3倍、锂离子电池的220倍,质量能量密度和汽油相仿,是锂离子电池的近30倍。电池隔膜设计成双中空纤维膜,使单位体积的膜面积大增,反应效率极高。

中空纤维膜直径越小,单位体积膜面积越大,能量密度越高,因此与其他电池相反,电池体积和质量越小,电动汽车的续航距离越远。以直径3mm的中空纤维V-电池为例,要达到续航1000Km,电池质量只有176Kg,体积78L,而锂离子电池约需1080Kg和1340L。

V-电池的最高反应温度不超过60℃,加之电子隔膜材料具有耐高低温、抗燃、耐腐蚀、疏水、电绝缘等特性,不会发生自燃、冒烟或爆炸,安全稳定。它由VB2储存器和反应器两部分组成,VB2粉靠小泵在反应器内循环,VB2被氧化后可再生重新使用。V-电池运行500或1000Km后,须到换粉站用特制设备将储存器中的氧化产物抽出,把新的VB2置入,所需时间只有3-5min,无需将电池卸下。

将来装V-电池的电动汽车(1.1t计),在没有国家补贴的情况下,运行20万Km后的综合使用成本对比,V-电池车在德国约为3.3万欧元,相当于燃油车的40%,而锂离子电池约为9.6万欧元,相当于燃油车的70%(测算值仅供参考)。为此,实现产业化后,将具有划时代的意义。

除了固体钒动力电池,新型低成本锌-空气动力电池(Zn-空电池)也成为新宠。在国内外已研发几十年,目前武汉、上海和北京都处于产业化的前夜。

武汉的公共汽车已试用国产的Zn-空电池,据称能量密度已达300-350Wh/Kg,但要续驶300Km,质量高达1.25t,且需建大批换电池站,靠机器人搬上搬下,而且换下的氧化锌电极板的还原成本,比购买新的锌板高一倍价格。由于Zn粉便宜,来源丰富,无毒,因此作为廉价电池,值得在我国推广应用。

汽车轻量化涉及范围广

实际上,汽车轻量化还涉及到轮胎帘子线从钢丝向芳纶或聚酮纤维的过渡,目前主要是成本问题,随着我国芳纶的大规模产业化和应用领域的扩大,这种趋势会不断显现。

汽车的智能化涉及到塑料光纤(POF)及其传感器的应用,目前我国的POF已跃入世界先进水平,有条件扩大应用于汽车工业。

赛车和高档车能反映一个国家和汽车生产厂家的最高技术水平,未来超高性能碳纤维在我国的产业化,为这些超高附加值车的研发打下基础。这种超碳纤维打破了以往碳纤维是脆性材料的概念,抗冲击强度极高,可作防弹材料。此外,由于工艺技术和设备的创新,未来达到同样性能(如T700或T800等)的碳纤维产品,生产成本可降低25%以上。

作者系中国新材料技术协会会长、全国特种合成纤维信息中心主任


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