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陳光祖:讓汽車產業愛上新興的材料工程

發布時間:2016-09-01 點擊次數:2727次 來源:三景科技 類別:知識講座-光電新材料

汽車產業的現代化建設,離不開眾多高科技新興材料工程的支撐,可以說當代汽車產業在新一輪產業革命中,它正扮演著基礎和先導的重要角色。近來國際汽車界曾流行著對新興材料工程的一種形象說法:“一代新材料、一代新汽車。”

    什么是新興的材料工程呢?指的是已出現和應用或正在研發中,擁有比傳統材料不具備的優導性和特殊功能的材料,但它又突破了傳統材料的局限性,成為拓展汽車產業顛覆性創新驅動和巨大發展的推動力。這里要說明的是新興材料工程有兩大類型:一是在自然資源中新發現和應用的高水平新型材料;一是廣泛應用多種高科技手段,經過合成或加工的新型材料,這往往是一種復合型材料,而后者的新興材料正在迅速發展中,將是居主導地位。

    新興材料工程的特征是:在汽車產業新常態和互聯網+形勢推動下,供給側結構性改革進展加快,推動新興材料工程進入加快發展的新時期;重點應用于汽車輕量化上,當前的鋁、鎂合金應用仍占很大比例,而今后將逐步為超輕量化的新興材料所替代;由于某發展領域的特定需求,促進了具特定需求特色顯著新興材料的出現,促使某領域的產品和經濟得到突破性進展,這已顯現創新迫切解決問題的一種好辦法;應該是具有綠色、低碳、可循環利用,可回收的,無公害的材料性能;新興材料工程結構應是多元化,多元素、多樣化的以復合組成方式出現,所以它的跨界度很大,科技和信息融合度很高,以及基礎性研究應用的程度也很突出;對汽車產業來說不僅大量的應用在傳統汽車的改造升級上,對新能源汽車,尤其是電動汽車,自動駕駛汽車上應用,都提到重要議事日程;從當代需求看,生物材料工程將不斷涌現和深透發展之中,這對發展智能化材料,提供良好的軟硬化實力;當前正在對新興材料工程的新型理論加強研究,除了常規理論外,還對新提出波函數、電子云、量子態、電離能等新理念進行研究,開拓新型材料的新視野和知識水平,加速新興材料工程理論體系的形成和發展。

     新興材料推薦

    當代新興材料工程發展領域十分寬廣,這里我們以探索和追蹤的思路,對比較時尚、奇特、前沿、實用的新興材料工程一些典型事例作些推薦。

    有趣的液態金屬:又叫金屬玻璃,它是一種在低溫熔煉時,即行固化的非晶態金屬。如果說鋼鐵晶態固體的原子排列,好比閱兵隊伍,十分整齊有序,而非晶態金屬的固體原子排列,就好比北京王府井街道上熙熙攘攘的人群,處于雜亂無序狀態。液態金屬兼有金屬和玻璃的雙重性能,成為迄今為止十分強勁的一種材料,如一根4mm粗的液態金屬棒,可以懸吊起了3噸物體,并能在強酸,強堿環境中無損完好運作,而它的硬度卻像玻璃那樣,十分堅硬具有相當好的耐磨性和耐用性。

    當前,在國際上跨國汽車廠商已用液態金屬用于制造高強度、抗耐磨、抗疲勞、抗腐蝕的汽車零件,特別是在改裝車和房車上應用比較多,我們中科院物理研究所已和一些汽車廠商合作研究應用中。應當說液態金屬在汽車產業中的應用前景十分廣寬。

    高檔次的碳纖維復合材料:是指含碳量高于90%的無機高分子纖維,其中含碳量達99%的叫石墨纖維。這種類型材料強度比一般的鋼還高、而彈性模量又很大、疲勞強度高、耐沖擊性能好、化學性能穩定、耐水耐濕氣好、摩擦系數小、耐高溫。在汽車上可用于制造車身、殼體、還可用于制造齒輪、軸承、密封圈、容器等零部件。目前,高檔次的碳纖維復合材料在世界上主要生產廠商在日本、如日本東麗、東邦和三菱成為該產品主要供應商。當前,美國、德國汽車公司和日本相關企業合作、研發和應用碳纖維復合材料制造車身和車身框架問題,這樣車身的重量可能比鋁合金車身還減輕1/2,而強度則比常用的鋼材結實10倍。新型的車身從框架開始,制成后用各種形狀的表面蒙皮,以高強度的粘接劑粘上,個別地方為加強附著力,加上一些鉚釘,而不用焊接了,這種車身已在一些跨國汽車公司試驗應用中。近年,由于大型航空客機,高鐵車廂等需求,我們的碳纖維復合材料研發制造有了很大進步,這對推動今后汽車上的應用提供了良好機遇。

    精細工業陶瓷:我們把陶瓷業分為兩大類,有古老傳統的陶瓷業和現代化精細工業陶瓷。

    對傳統的陶瓷業我們再熟識不過,幾乎天天接觸,離不開它。傳統陶瓷是由天然的無機物燒結制作而成,如廚房用具,衛生間用品、房間擺設陶瓷工藝品等,已構成我們日常用品巨大市場體制,不過對傳統陶瓷品也有不少需要創新驅動問題,我們十分期望,經過改進也能更多的用在工業和汽車上。

    近來,隨著科技和信息產業的迅速發展,現代化的精細工業陶瓷幾乎成為高科技產業一種材料革命的代表,被稱為人類“新石器時代”重新來臨了,它在核工業、航空、航天、船舶、電力、電子、機械、汽車、醫療、海洋開發、新能源、環境事業上都得到廣泛深入應用,也和傳統的陶瓷業一樣,幾乎樣樣產品都離不開它,而且應用前景十分優良。

    精細工業陶瓷的原料總的講也是天然無機物構成,但要求要達到高純度、高質量、高功能的應用,同時應用人工合成的無機物上也下了很大功夫,形成好的導熱性、低熱膨脹、高剛度、硬度、強度和好的電學性能。

    這里說些汽車上應用精細工業陶瓷的例子。在活塞頂部、氣門、增壓器、轉子、發動機排子管、氣缸套內壁等都噴涂上精細工業陶瓷,很大的達到“節能減排”目的;在汽油電噴發動機和高壓共軌柴油機的噴油器上,應用一種壓電陶瓷來控制各種工況的噴油量,很好的降低了噴油的遲滯性,在直噴、增壓、可變氣門新型發動機上廣泛得到應用;對汽、柴油發動機后處理器上各種排放物的處理器,如三元催化器的載體就是應用非常精細的陶瓷氣孔物質造成的,隨著排放標準提高,載體不是加大,而是用更精細的孔勁來處理和排污了。在傳感器上也不少應用精細工業陶瓷,如難度較大的氧傳感器上應用,能很好提高檢測的靈敏度。在智能自適應的神經網絡控制上,應用高精度壓電陶瓷制成控制器,自適應實時性達到0.13微秒,比前一代的控制器幾乎提高了2.5倍。當前汽車上精細工業陶瓷正在向更加高端化方向前進。

    高分子材料也很驚人:近日在巴西奧運會上,不知道你是否看到游泳運動員穿的是又黑又長很遮體的泳衣,很難想像為什么要穿這樣的泳衣而不是過去很狹小的三角褲呢?據了解這種泳衣又稱為“鯊魚皮泳衣”,它是模仿鯊魚皮膚那種富彈性,在運動中減少摩擦,對肌肉凹凸度運動的水阻力可減到最低,可以引導周圍水流的流向等優勢,所以幾乎所有游泳運動員都穿上了,包括泳帽。這種泳衣 是應用超伸展性高分子合成材料,由世界著名的澳大利亞SPEEDO公司專門特制的,最早在2000年悉尼奧運會上用上,現在已經是第五代產品了,具有極輕、低阻、防水、防冷、無皺褶、無縫點的特種衣服。這就是高分子材料為某一特定需求,而創造出來的符合人體工程的好衣服。這只是一個插曲。

    那么什么是高分子材料呢?它是由相對分子質量較高的化合物構成的材料,如我們熟識的塑料、橡膠、纖維、涂料和高分子復合材料等,這在汽車上也應用很多。據說當前在一輛轎車上一般應用高分子材料可達到230公斤,今后還要不斷的在增加,如前后保險杠、檔泥板、后視鏡、座椅、內外飾件,燈具、各種布料等等,應該說這些傳統的零部件也在不斷創新之中,有的可能達到像泳衣一樣令人難以想像和驚人的地步。

    當前對高性能塑料、合成橡膠、生物纖維、納米纖維、新聚合物纖維、高質量涂料和黏合劑,都尋求在汽車領域深入應用中,如塑料燃油箱已廣泛應用于乘用車上,這種高絕緣,耐高溫、沒有焊縫,可隨意改變形狀布置在底盤上,在萬一撞擊時也不易破裂,國內已大量生產供應。橡膠空氣彈簧是一種柔性的橡膠囊中注入壓縮空氣或水介質,利用其可壓縮性,實現非金屬彈簧的應用,已較廣泛應用在各種汽車上。當前玻璃主要是硅酸鹽材料制成,在汽車上應用夾層膜玻璃,鋼化玻璃,以適應汽車安全需要,但重量較大,智能化改造較難,以后將逐步為以聚甲丙烯酸的高分子透明材料所逐步替代,目前有些轎車的天窗已經采用這樣有機物玻璃,這種玻璃不但透明度好,強度也不低,重量輕,更重要的是可以利用電化等性能,適應各種不同氣候變化,實現智能化要求,而且萬一發生事故不易傷人,這在飛機上早已應用了。現在汽車界人士說:“塑化汽車”年代到來了,這是對汽車應用高分子材料多么好的期待。

    超級的光電材料與器件:當代超級的光電材料和元器件已成為國民經濟發展一個焦點,具有重大的戰略意義,當然也包括汽車產業在內。權威專家預測,當代汽車上的重大創新,90%與超級的光電材料和元器件有關系,如半導體,超導、電阻、絕緣,軟磁、永磁、激光、測溫、聲學、電能、記憶,紅外光等等超功能的材料,而且權威人士表示,未來光電“耦合”屬性的光電升級版物體,有助于人類實現量子時代的到來。這樣光電材料和元器件面太廣寬,深度太大,我們只能從與汽車關系更為密切的半導體芯片來講。

    從汽車微電子時代發展經歷來看與半導體的芯片有著很大關系,這大致可用五個階段來探索:第一階段, 1947年半導體晶體管誕生,它體積比電子管大大減小,效能高、功耗低、重量輕,這樣半導體晶體管在上世紀70年代相繼應用于汽車上,如晶體管收音機,電子點火控制器,交流發電機控制器等,打開了汽車電子序幕,屬于汽車電子初期應用年代。第二階段約在80年代末,由于微控制器的發明和應用,通稱單片機(MCU),這種高級芯片可以將計算機的微處理器(CPU)中不少元器件功能集中到新型的芯片上,大大提升了汽車電子器件的應用效率和功能,如汽車發動機電子噴油系統控制、自動變速箱電子控制、汽車防抱死系統、汽車穩定性控制系統、汽車電控懸架等,一輛比較高檔的轎車,就擁有約100個的MCU,汽車電子進入微型化應用時代。第三階段,90年末,即單片機進入嵌入式應用年代,用時尚的話就是電子元器件進入個性化應用年代,使電子控制專業化功能更加深透,應用水平更高,集成度,系統化控制水準更深。嵌入式微處理器也叫SOC單片機,從過去的8位機為主,進入了16位,32位,個別64位高功能應用時代,所以也叫用戶定義的集成電路(CSIC),就是說汽車需求什么樣的功能芯片,你就供給什么樣的芯片,要按客戶對芯片個性化特色需求進行高功能芯片設計和供給,還有汽車進入網絡時代,汽車在物聯網指導下實行車聯網,如何實現更好的人、車、路協同運行,SOC同樣也發揮了很好的核心作用。汽車界人士認為,這是色彩斑斕的單片機世界來臨了。第四階段,即新世紀年代信息產業包括大數據、云計算、大科學、移動互聯網眾多新興產業迅速驚人的發展,不少高科技產業實現突破性發展,基礎性研發項目都不斷投入社會領域應用,這樣提供了對汽車產業芯片帶來了新的要求,傳統的硅質芯片發展也到了極限,于是可能出現金屬、陶瓷、聚合和復合物一類新型納米材料的芯片,狹義的汽車電子控制概念落伍了,要大力解放思路和措施,迎接汽車廣義的電子控制的時代來臨。第五階段也可以說是未來光電芯片發展新階段。量子型計算機的出現,即利用光電效應和量子糾纏效應協同進行的極速計算,于是促使光電超導芯片的誕生,計算機數據不再是分步進行,而是同步計算,其運算速度比因特爾奔騰4芯片快10億秒次,相當于一枚信息火箭,在瞬間搜尋整個地球,以至宇宙間的互聯網信息,而且安全可靠,促使知識、思維、聯想、推理能解決極為復雜的科技計算問題,對汽車來說成了輕而易舉的可解決自動化動作問題的難點,汽車可以飛行,可以下海都不存在問題,到底是什么樣的汽車現在還不知道。

    在世界上應當說我國的計算機水平不算低,我們“天河二號”超極計算機已連續4次蟬聯世界第一,每秒浮點運算達到33.86千億萬次,“天河三號”超極計算機已在天津濱海新區研發,預計2018年完成,計算速度達百億億秒次,而且可以實現100%國產化。同時,我國量子計算方面也下了不少功夫,近日我們發射了“量子號”人類第一課量子科學實驗衛星。在量子計算機基礎研究方面也不斷取得進步,在上海用飛秒激光技術刻制出光子芯片也落地了。同時中科院在非局域量子模擬器上的信息以1.9倍光速傳輸獲得成果。但必須指出,至今我們汽車產業的芯片基本全靠進口和采購外企的產品,芯片這個汽車產業的最重大的一個核心科技還無法自主運作,而今后芯片的科技又發展這樣快,這是新老汽車人感到非常愁心的事件。

    納米汽車時代來了:當代在汽車界科技活動中常提到納米這個詞,納米是什么?它本身不是物質,是一種尺度,和米、厘米、毫米一樣的尺度單位,不過納米尺度小到令人吃驚的地步,一納米只等10億分之一的米,通俗講人的一根頭發直徑等于6萬分之一的納米,現在國際上慣例認為處于1-100納米之間的物體,才稱得上納米技術和納米結構的物體,因為當物體降到納米級時,在物理化學等性能產生了巨大變化,提升了納米技術優異的獨占性優勢。在人類文明進程中,認為工業革命之前是毫米時代,工業革命到了20世紀的中期,人類跨入微米時代,而20世紀末期,隨著高科技與納米技術不斷深入發展,人們認為人類開始進入納米時代,當代神奇的納米技術不斷涌現,將引發和帶動世界新一輪產業革命的發展,也將更深刻的刮起一場納米經濟的風暴。錢學森指出:“納米左右和納米結構的物體是下一階段科技發展的一個重點,會是一次技術革命,從而將引起21世紀又一次產業革命”。事實證明納米技術在微電子、光電、化工、制造業、鋼鐵、航空、航天、醫學、陶瓷、復合材料、生態環境等諸多領域應用納米技術,促使其物體從基礎性能上提升,產生新型神奇動效,這包括汽車產業在內,幾乎涵蓋一輛汽車的所有方方面面,于是納米汽車時代到來了。

    材料之王石墨烯:石墨烯是世界近十年來新發明的超級材料。它是一種由碳原子緊密堆積和合成的二維晶體,類似鉛筆的石墨那樣的物質,把它分離成薄片,又在薄片上貼膠帶,再進行剝離,反復切割,形成極為細薄的片體,就是這樣的一直剝下去,就構成了石墨烯產品。

    石墨烯是人類社會已知物質中最為堅硬透明度極好,又有韌性,電阻率極低,防水防熱,資源豐富的完美材料,現在世界上幾乎所有國家都在研發和推行中,中國是世界上研發和應用石墨烯最為強大的一個國家,而且在不同的領域不斷深化產業化應用。現在已知石墨烯可應用在柔性觸摸屏、海水淡化、電線電纜、病癥治療、導熱材料、可穿載設備、新型LED燈具、電子信息、能源存儲、航空航天、太空服飾、集成電路與芯片、智能傳感器、超級電容、生物醫藥、防爆輪胎、健康衣服、防火衣等等,新的用途還在不斷增加之中。據說三星和蘋果的競爭,將從智能手機轉向石墨烯應用的技術上,把這個材料的專利放到競爭的首位上,特別是研發碳納米管和石墨烯合成的技術結合上,期望通過高端新材料研發應用,集成眾多高科技產業上,以此帶動世界經濟翻天覆地的變化。

    《中國制造2025》規劃中,將石墨烯作為一種重要新材料,納入國家重點發展戰略中,2013年7月《中國石墨烯產業技術創新聯盟》成立,力求促進石墨烯科研的資源優化組合和加快產業化進程,預計2015年中國石墨烯市場值已突破100億元,2020年將超過1000億元,但這還是初創時期的產能,卻占國際上總產能50%以上,而從未來觀念看將是不可預測的高到什么水平。當前,國內在唐山,常州,重慶,深圳,寧波,上海,廈門,西安,青島,無錫等地都把石墨烯作為重點產業加以大力支持和發展,以此來創建我國石墨烯產業新體系。

    石墨烯作為汽車產業的新型材料,可以應用的領域太寬廣了,這里僅講一個汽車鋰動力電池上應用問題,因為至今還有不少爭議,認為石墨烯什么地方都可用,對鋰電池還難以用上。據了解目前石墨烯在太陽能電池,超級電容,燃料電池上應用已取得較好突破,新型的太陽能汽車,超級電容公交車已經在試用中,但對鋰動力電池的應用上還是個問號,但不能說現在還未用上,今后也就不能用,據了解它在鋰動力電池的負極,正極,高導電劑電解液,生物性兼容,防火性隔膜,還有高溫自閉性,可防火防爆,快速充電等項目應用都在研發中。最近據說人們稱一種“烯王電池”在研發中,也有廠商去投建資,這將為動力電池取得突破性進展在努力,但愿能早一天看到。

    第三態金屬鈦合金:專家認為鈦合金不屬于鋼鐵金屬類,也不屬于有色金屬類,是有可能自建的第三態體金屬。鈦的資源豐富,重量輕,比強度高,耐熱,耐蝕性好,當前常以鈦鋁鎂等多元素合金出現,這種類型鈦合金,既減輕重量而且耐高溫,塑性優良,既克服目前加工條件復雜成本高,還可達到工藝簡化,成本較大下降,所以得到了很廣泛應用,如在飛機,汽車,輪船,機車上被稱為與良好的蒙皮材料,與工程塑料,玻璃纖維復合材料的應用各有優勢,形成強烈的競爭態勢。鈦金合在汽車上還有一些事重要用途,如以鈦合金代替代不銹鋼的消聲器,以鈦合金制造渦輪增壓器殼體和葉輪代替鎳基合金;以粉末冶金鈦合金鍛造制造汽車發動機曲軸、連桿,氣門,如在意大利法拉利2003EMZO型超級汽車上V12發動機就采用鈦合金連桿;還有一種鐵鈦系鈦合金,制成吸氫合金,用以制造汽車上氫氣貯藏器,克服氫氣在液態時,需降溫到一253℃運作的沉重負擔,目前已有作少量應用中,進一步則考慮制成大型的氫運輸船和大型車輛的大型氫貯藏體。

    很專業的磁流變液(MR):在近來的車展上人們都看到一種具有半園形的汽車駕駛盤,像飛機的駕駛盤一樣,多用在概念車上,而這種汽車驅動的背后就是一種十分專業的磁流變液材料在起作用。

    磁流變液屬于一種可控的流體智能材料,已成為當前一些工業領域,包括汽車,十分活躍的分支。它具有良好的高磁導率,低的磁滯性,可以應用微細的軟磁性顆粒和非導磁性液體,混合在一起而構成的磁浮體,歸納起來是由母液,易磁化顆粒和穩定劑三種物質為主構成的。當磁流變液處于零磁場時,呈現的是極低粘度,沒有阻滯力,當在加強磁場作用時,即呈現出高粘度,固化物體的特性,在極短的時間段(一般在毫秒內),的不斷變化,從而達到對某一機械系統控制的目的。在飛機上,特別大型飛機對機翼,機尾,起落架的控制,不可布置眾多的純機械機構,所以應用磁流變技術,極大的簡化傳導機構,能耗很小成本低,精確性好,包括防顫振,防噪音等好處。當前已應用模糊神經網絡計算機系統,一種多旋轉式磁流變阻尼器,對遠離駕駛員的機翼,機尾,和起落架進行智能控制。上世紀末國際跨國汽車公司也對磁流變液技術引入汽車上,國內個別汽車企業也在試驗中,這將使汽車智能傳動達到高度的水平。

    國際汽車界專家預測,未來的電動汽車應用可能有三大系統,一是輪轂電機直接驅動車輪,二是無線充電,汽車動力電池充電不用電樁,在高速路上有充電道,要充電時汽車駛入充電道自行充電,這種汽車可以一天不停的在奔跑,三是磁流變控制,從部分的智能化應用提升到全自動駕駛上。

    在我們汽車產業意氣風發,眾志成城的不斷去創造中國汽車奇跡的時候,我們明顯的感到在發展汽車產業新型材料工程方面,卻長期的存在著不少圍墻和籬笆現象,你干你的,我干我的,你管生產,我管采購,兩個產業的協同,融合、共享雖有一些改進,但非常不夠,可以說汽車產業新興材料工程存在著依賴,隔離,固化,弱勢,低端,動蕩和杠桿,當代汽車產業已進入信息化,網絡化,全球化,社會化,大科學的發展年代,為了從基礎和先導角度提升汽車產業自主創新水平,我們一定要堅定的按新常態,互聯網+和制造業2025發展規劃精神,以改革,創新,融合,共享發展理念,敢于向積存多年的頑疾開刀,敢于觸及深層次利益關系和矛盾,堅決沖破思想觀念上束縛,堅決破除利益固化藩籬,堅決清除妨礙社會生產力發展的體制障礙,高質量,高度化應用新興材料工程水平,相信我們可以促使汽車和材料成為鳥之兩翼,車之兩輪,攜起手來走到一起,共同為建設汽車強國再立新功。

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