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》分享至：

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。

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。

《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。

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