发泡铝将有力提升新能源汽车轻量化、安全性和舒适度

2020-10-7 08:25 197 0
简介
为保护地球可再生资源,欧洲、北美、日本等发达国家已制订出法律法规来提高汽车的燃油效率。汽车日益向轻量化、低能耗、更安全舒适的方向发展,采用密度低、综合性能好和可再生利用率高的新材料成为汽车制造厂商的重 ...

为保护地球可再生资源,欧洲、北美、日本等发达国家已制订出法律法规来提高汽车的燃油效率。汽车日益向轻量化、低能耗、更安全舒适的方向发展,采用密度低、综合性能好和可再生利用率高的新材料成为汽车制造厂商的重要任务。发泡铝材料依靠轻质结构、吸收能量和噪声控制等优越性能,在汽车制造研究应用中备受青睐。

目前,发泡铝能够在城轨、高铁、航空航天和建筑业广泛应用,得益于发泡铝和其他材料相比具备相对全备的独特优势。发泡铝是在纯铝或铝合金中加入添加剂后,经过发泡工艺而成,并具有优异的物理性能、化学性能和力学性能以及可回收性。具体性能有:轻质、密度小、吸收能量强、高吸收冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性高、耐候性强、有过滤能力、易加工、易安装、成形精度高、可进行表面涂装。

过去十年间,发泡铝在发达国家优先研究应用在传统汽车工业。欧盟实行的光明欧洲计划就是研究发泡铝材料在汽车上的应用。澳大利亚轻金属性能研究中心(LKR)和宝马联合研发了发泡铝结构的发动机支架。德国Karmann股份公司选用发泡铝夹心板制造轿车顶盖板和底板。宝马、奔驰、丰田、现代等汽车公司将发泡铝材料用在轿车保险杠。

新能源汽车产业方兴未艾,随着行业政策陆续推出,前期的野蛮生长逐步走向规范。同时,随着低速追尾和车身碰撞交通事故的发生越来越多,新能源汽车安全性问题得到了人们的重视。在汽车安全性设计上倾向轻铝等材质(如奇瑞蚂蚁、比亚迪电动大巴全铝车身)。发泡铝材料及其铝合金结构也被研究在新能源汽车制造上的应用,将大大提升新能源汽车轻量化、安全性和舒适度,具有可观的市场前景。可应用场景包括:车体结构、夹层结构、保险杠、减震板、侧门、前面板、地板、动力电池包及其他支架零部件。

01

提升轻量化

研究表明,使用发泡铝材质后的汽车构架重量只有钢结构的一半,刚度则提高了10倍。如果将发泡铝零件代替传统的汽车铸件,在零件强度不变的情况下,质量可以减轻50%以上。零部件数量至少可减少1/3,降低了汽车成本。有机构分析,汽车制造中约有20%的车身结构可选用发泡铝制造。

02

提升抗冲击、吸能和安全水准

奥巴马乘坐的“陆军一号”防弹轿车采用了大量发泡铝材料。欧洲一些大的汽车公司如卡曼、大众、宝马、欧宝、菲亚特、雷诺、戴姆勒—奔驰等都已采用发泡铝用于保险杆、制造汽车侧面与前部防撞零部件、轴架和车身板件。

一鸣新材料公司是国内领先的专注于发泡铝研发应用的企业,其发泡铝汽车防撞梁在清华大学汽车碰撞试验室进行台架试验,吸能效果达到传统钢梁5倍,特种泡沫铝应力应变曲线接近理想吸能材料曲线。

发泡铝用于防撞梁可产生高吸能性,可以全部释放碰撞动能,消除反作用力。单位体积吸收的能量可达6-9M J,可吸收掉车辆以15Km/h速度撞击的全部能量,确保了汽车整车的安全性。

发泡铝在汽车制造中的应用多为发泡铝夹层结构。Fraunhofer IWU与TU Chemnitz 联合开发了发泡铝夹层复合材料控制臂。相较于普通钢制或铝制控制臂,这种发泡铝夹层复合材料具有更好的抗冲击和抗弯曲性能。发泡铝的芯层使得其更适用于承受弯曲应力的部件,金属外壳提供了较好的抗冲击性。

发泡铝质量更轻、强重比更高,其抗弯比刚度为钢的1.5倍,作为抗冲击缓冲的优越材料填充到汽车保险杠中,刚度可提高2倍以上,阻尼、防撞能力提高3倍以上,可取代无吸能作用的其它类保险杠。

顶盖作为新能源汽车上最大面积的覆盖件,采用发泡铝夹心板解决了厂家综合重量和强度的要求。其厚度仅为2mm左右,刚度为钢板顶棚的7倍,重量还能减轻50%以上。

发泡铝用在纵梁和一些支柱零件上时,可以增加撞击吸能的能力,在轻量化的同时,提高了撞击安全性。用于汽车乘客座位前后的可变形材料可以改善乘员的安全。

03

NVH

一鸣新材料发泡铝经国家建筑材料检测中心检测,综合降噪系数达到0.75,250~1000Hz中频段吸音系数达到0.9以上,远远超过岩棉、石膏板、打孔金属板等常用吸音材料。同时,发泡铝也被认为是目前为止是最稳定的、最环保的吸音材料,无毒,有效使用寿命达到七十年以上,可100%回收再利用。

发泡铝材料与其他常用吸音隔音材料的性能对比

(来源:一鸣新材料)

人们对新能源汽车有降低噪音、增强环保的苛刻要求,有必要寻找吸声好的轻量化材料,增加汽车安全舒适感。采用发泡铝材料就可以使汽车本身发出的噪声不扩散到周围环境,来自外部声源的噪声隔离在车外。比如用在电动客车发泡消音器,发泡铝吸声板经过耐火处理,可以适用在近600℃的尾气温度。降噪效果为阻抗型消声内芯、并联共振式消声内芯消声器的2~3倍,重量减轻1/3左右。

此外,用发泡铝材料制作新能源汽车地板、间隔、车门夹心板等也能达到隔音、减震的效果。

04

动力电池散热、保护

针对新能源汽车锂电池模块系统散热不足的问题,有中外学者提出将发泡铝用来解决锂电池散热问题。发泡铝因其比表面积相对大,使新能源汽车锂电池热量很快失掉,是制备新型散热器的核心器材。

德国发泡铝电池包箱托盘

新能源汽车在传统汽车基本构造上增加了电池包的重量,且质心位置向下向后移动,所以后悬架负荷增大,当发生撞击时没有较强的释放碰撞动能的能力,就可能引发起火甚至爆炸。新能源汽车动力电池包通常都有几百公斤,有必要升级电池包的轻量化、强度和刚度,加强对电池包的碰撞保护。发泡铝抗弯强度高、重量轻、耐热阻燃佳,同时具有良好的阻尼性能以及独特的撞击吸收性能,十分适合作为电池箱体防护材料加以应用。

目前,将发泡铝在汽车尤其新能源汽车上的应用尚未达到完善成熟的阶段。制备发泡铝的原材料(铝粉或铝合金)并不便宜,且生产加工工艺也比较复杂。但是发泡铝集优良的机械、物理、热学、声学等性能于一身的多功能,为解决新能源汽车的减重、吸能、环保节能、安全等问题,提供了可行性方案。

如今,新能源汽车在全球主要国家大大普及,更多城市开启公交电动化的浪潮。未来发泡铝在新能源汽车上成功商用的空间十分广阔,将大大保障人们享受更安全、舒适、绿色的出行服务。


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