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陈光祖:让汽车产业爱上新兴的材料工程

发布时间:2016-09-01 点击次数:2179次 来源:三景科技 类别:知识讲座-光电新材料

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新一轮产业革命中,它正扮演着基础和先导的重要角色。近来国际汽车界曾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。”

    什么是新兴的材料工程呢?指的是已出现和应用或正在研发中,拥有比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。这里要说明的是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;一是广泛应用多种高科技手段,经过合成或加工的新型材料,这往往是一种复合型材料,而后者的新兴材料正在迅速发展中,将是居主导地位。

    新兴材料工程的特征是:在汽车产业新常态和互联网+形势推动下,供给侧结构性改革进展加快,推动新兴材料工程进入加快发展的新时期;重点应用于汽车轻量化上,当前的铝、镁合金应用仍占很大比例,而今后将逐步为超轻量化的新兴材料所替代;由于某发展领域的特定需求,促进了具特定需求特色显著新兴材料的出现,促使某领域的产品和经济得到突破性进展,这已显现创新迫切解决问题的一种好办法;应该是具有绿色、低碳、可循环利用,可回收的,无公害的材料性能;新兴材料工程结构应是多元化,多元素、多样化的以复合组成方式出现,所以它的跨界度很大,科技和信息融合度很高,以及基础性研究应用的程度也很突出;对汽车产业来说不仅大量的应用在传统汽车的改造升级上,对新能源汽车,尤其是电动汽车,自动驾驶汽车上应用,都提到重要议事日程;从当代需求看,生物材料工程将不断涌现和深透发展之中,这对发展智能化材料,提供良好的软硬化实力;当前正在对新兴材料工程的新型理论加强研究,除了常规理论外,还对新提出波函数、电子云、量子态、电离能等新理念进行研究,开拓新型材料的新视野和知识水平,加速新兴材料工程理论体系的形成和发展。

     新兴材料推荐

    当代新兴材料工程发展领域十分宽广,这里我们以探索和追踪的思路,对比较时尚、奇特、前沿、实用的新兴材料工程一些典型事例作些推荐。

    有趣的液态金属: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。如果说钢铁晶态固体的原子排列,好比阅兵队伍,十分整齐有序,而非晶态金属的固体原子排列,就好比北京王府井街道上熙熙攘攘的人群,处于杂乱无序状态。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,在国际上跨国汽车厂商已用液态金属用于制造高强度、抗耐磨、抗疲劳、抗腐蚀的汽车零件,特别是在改装车和房车上应用比较多,我们中科院物理研究所已和一些汽车厂商合作研究应用中。应当说液态金属在汽车产业中的应用前景十分广宽。

    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。目前,高档次的碳纤维复合材料在世界上主要生产厂商在日本、如日本东丽、东邦和三菱成为该产品主要供应商。当前,美国、德国汽车公司和日本相关企业合作、研发和应用碳纤维复合材料制造车身和车身框架问题,这样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。新型的车身从框架开始,制成后用各种形状的表面蒙皮,以高强度的粘接剂粘上,个别地方为加强附着力,加上一些铆钉,而不用焊接了,这种车身已在一些跨国汽车公司试验应用中。近年,由于大型航空客机,高铁车厢等需求,我们的碳纤维复合材料研发制造有了很大进步,这对推动今后汽车上的应用提供了良好机遇。

    精细工业陶瓷:我们把陶瓷业分为两大类,有古老传统的陶瓷业和现代化精细工业陶瓷。

    对传统的陶瓷业我们再熟识不过,几乎天天接触,离不开它。传统陶瓷是由天然的无机物烧结制作而成,如厨房用具,卫生间用品、房间摆设陶瓷工艺品等,已构成我们日常用品巨大市场体制,不过对传统陶瓷品也有不少需要创新驱动问题,我们十分期望,经过改进也能更多的用在工业和汽车上。

    近来,随着科技和信息产业的迅速发展,现代化的精细工业陶瓷几乎成为高科技产业一种材料革命的代表,被称为人类“新石器时代”重新来临了,它在核工业、航空、航天、船舶、电力、电子、机械、汽车、医疗、海洋开发、新能源、环境事业上都得到广泛深入应用,也和传统的陶瓷业一样,几乎样样产品都离不开它,而且应用前景十分优良。

    精细工业陶瓷的原料总的讲也是天然无机物构成,但要求要达到高纯度、高质量、高功能的应用,同时应用人工合成的无机物上也下了很大功夫,形成好的导热性、低热膨胀、高刚度、硬度、强度和好的电学性能。

    这里说些汽车上应用精细工业陶瓷的例子。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,很大的达到“节能减排”目的;在汽油电喷发动机和高压共轨柴油机的喷油器上,应用一种压电陶瓷来控制各种工况的喷油量,很好的降低了喷油的迟滞性,在直喷、增压、可变气门新型发动机上广泛得到应用;对汽、柴油发动机后处理器上各种排放物的处理器,如三元催化器的载体就是应用非常精细的陶瓷气孔物质造成的,随着排放标准提高,载体不是加大,而是用更精细的孔劲来处理和排污了。在传感器上也不少应用精细工业陶瓷,如难度较大的氧传感器上应用,能很好提高检测的灵敏度。在智能自适应的神经网络控制上,应用高精度压电陶瓷制成控制器,自适应实时性达到0.13微秒,比前一代的控制器几乎提高了2.5倍。当前汽车上精细工业陶瓷正在向更加高端化方向前进。

    高分子材料也很惊人:近日在巴西奥运会上,不知道你是否看到游泳运动员穿的是又黑又长很遮体的泳衣,很难想像为什么要穿这样的泳衣而不是过去很狭小的三角裤呢?据了解这种泳衣又称为“鲨鱼皮泳衣”,它是模仿鲨鱼皮肤那种富弹性,在运动中减少摩擦,对肌肉凹凸度运动的水阻力可减到最低,可以引导周围水流的流向等优势,所以几乎所有游泳运动员都穿上了,包括泳帽。这种泳衣 是应用超伸展性高分子合成材料,由世界著名的澳大利亚SPEEDO公司专门特制的,最早在2000年悉尼奥运会上用上,现在已经是第五代产品了,具有极轻、低阻、防水、防冷、无皱褶、无缝点的特种衣服。这就是高分子材料为某一特定需求,而创造出来的符合人体工程的好衣服。这只是一个插曲。

    那么什么是高分子材料呢?它是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,这在汽车上也应用很多。据说当前在一辆轿车上一般应用高分子材料可达到230公斤,今后还要不断的在增加,如前后保险杠、档泥板、后视镜、座椅、内外饰件,灯具、各种布料等等,应该说这些传统的零部件也在不断创新之中,有的可能达到像泳衣一样令人难以想像和惊人的地步。

    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,都寻求在汽车领域深入应用中,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。橡胶空气弹簧是一种柔性的橡胶囊中注入压缩空气或水介质,利用其可压缩性,实现非金属弹簧的应用,已较广泛应用在各种汽车上。当前玻璃主要是硅酸盐材料制成,在汽车上应用夹层膜玻璃,钢化玻璃,以适应汽车安全需要,但重量较大,智能化改造较难,以后将逐步为以聚甲丙烯酸的高分子透明材料所逐步替代,目前有些轿车的天窗已经采用这样有机物玻璃,这种玻璃不但透明度好,强度也不低,重量轻,更重要的是可以利用电化等性能,适应各种不同气候变化,实现智能化要求,而且万一发生事故不易伤人,这在飞机上早已应用了。现在汽车界人士说:“塑化汽车”年代到来了,这是对汽车应用高分子材料多么好的期待。

    超级的光电材料与器件:当代超级的光电材料和元器件已成为国民经济发展一个焦点,具有重大的战略意义,当然也包括汽车产业在内。权威专家预测,当代汽车上的重大创新,90%与超级的光电材料和元器件有关系,如半导体,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,而且权威人士表示,未来光电“耦合”属性的光电升级版物体,有助于人类实现量子时代的到来。这样光电材料和元器件面太广宽,深度太大,我们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着很大关系,这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,它体积比电子管大大减小,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,一辆比较高档的轿车,就拥有约100个的MCU,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,用时尚的话就是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,所以也叫用户定义的集成电路(CSIC),就是说汽车需求什么样的功能芯片,你就供给什么样的芯片,要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,还有汽车进入网络时代,汽车在物联网指导下实行车联网,如何实现更好的人、车、路协同运行,SOC同样也发挥了很好的核心作用。汽车界人士认为,这是色彩斑斓的单片机世界来临了。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,不少高科技产业实现突破性发展,基础性研发项目都不断投入社会领域应用,这样提供了对汽车产业芯片带来了新的要求,传统的硅质芯片发展也到了极限,于是可能出现金属、陶瓷、聚合和复合物一类新型纳米材料的芯片,狭义的汽车电子控制概念落伍了,要大力解放思路和措施,迎接汽车广义的电子控制的时代来临。第五阶段也可以说是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,于是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,相当于一枚信息火箭,在瞬间搜寻整个地球,以至宇宙间的互联网信息,而且安全可靠,促使知识、思维、联想、推理能解决极为复杂的科技计算问题,对汽车来说成了轻而易举的可解决自动化动作问题的难点,汽车可以飞行,可以下海都不存在问题,到底是什么样的汽车现在还不知道。

    在世界上应当说我国的计算机水平不算低,我们“天河二号”超极计算机已连续4次蝉联世界第一,每秒浮点运算达到33.86千亿万次,“天河三号”超极计算机已在天津滨海新区研发,预计2018年完成,计算速度达百亿亿秒次,而且可以实现100%国产化。同时,我国量子计算方面也下了不少功夫,近日我们发射了“量子号”人类第一课量子科学实验卫星。在量子计算机基础研究方面也不断取得进步,在上海用飞秒激光技术刻制出光子芯片也落地了。同时中科院在非局域量子模拟器上的信息以1.9倍光速传输获得成果。但必须指出,至今我们汽车产业的芯片基本全靠进口和采购外企的产品,芯片这个汽车产业的最重大的一个核心科技还无法自主运作,而今后芯片的科技又发展这样快,这是新老汽车人感到非常愁心的事件。

    纳米汽车时代来了:当代在汽车界科技活动中常提到纳米这个词,纳米是什么?它本身不是物质,是一种尺度,和米、厘米、毫米一样的尺度单位,不过纳米尺度小到令人吃惊的地步,一纳米只等10亿分之一的米,通俗讲人的一根头发直径等于6万分之一的纳米,现在国际上惯例认为处于1-100纳米之间的物体,才称得上纳米技术和纳米结构的物体,因为当物体降到纳米级时,在物理化学等性能产生了巨大变化,提升了纳米技术优异的独占性优势。在人类文明进程中,认为工业革命之前是毫米时代,工业革命到了20世纪的中期,人类跨入微米时代,而20世纪末期,随着高科技与纳米技术不断深入发展,人们认为人类开始进入纳米时代,当代神奇的纳米技术不断涌现,将引发和带动世界新一轮产业革命的发展,也将更深刻的刮起一场纳米经济的风暴。钱学森指出:“纳米左右和纳米结构的物体是下一阶段科技发展的一个重点,会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命”。事实证明纳米技术在微电子、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,促使其物体从基础性能上提升,产生新型神奇动效,这包括汽车产业在内,几乎涵盖一辆汽车的所有方方面面,于是纳米汽车时代到来了。

    材料之王石墨烯:石墨烯是世界近十年来新发明的超级材料。它是一种由碳原子紧密堆积和合成的二维晶体,类似铅笔的石墨那样的物质,把它分离成薄片,又在薄片上贴胶带,再进行剥离,反复切割,形成极为细薄的片体,就是这样的一直剥下去,就构成了石墨烯产品。

    石墨烯是人类社会已知物质中最为坚硬透明度极好,又有韧性,电阻率极低,防水防热,资源丰富的完美材料,现在世界上几乎所有国家都在研发和推行中,中国是世界上研发和应用石墨烯最为强大的一个国家,而且在不同的领域不断深化产业化应用。现在已知石墨烯可应用在柔性触摸屏、海水淡化、电线电缆、病症治疗、导热材料、可穿载设备、新型LED灯具、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、防火衣等等,新的用途还在不断增加之中。据说三星和苹果的竞争,将从智能手机转向石墨烯应用的技术上,把这个材料的专利放到竞争的首位上,特别是研发碳纳米管和石墨烯合成的技术结合上,期望通过高端新材料研发应用,集成众多高科技产业上,以此带动世界经济翻天覆地的变化。

    《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2015年中国石墨烯市场值已突破100亿元,2020年将超过1000亿元,但这还是初创时期的产能,却占国际上总产能50%以上,而从未来观念看将是不可预测的高到什么水平。当前,国内在唐山,常州,重庆,深圳,宁波,上海,厦门,西安,青岛,无锡等地都把石墨烯作为重点产业加以大力支持和发展,以此来创建我国石墨烯产业新体系。

    石墨烯作为汽车产业的新型材料,可以应用的领域太宽广了,这里仅讲一个汽车锂动力电池上应用问题,因为至今还有不少争议,认为石墨烯什么地方都可用,对锂电池还难以用上。据了解目前石墨烯在太阳能电池,超级电容,燃料电池上应用已取得较好突破,新型的太阳能汽车,超级电容公交车已经在试用中,但对锂动力电池的应用上还是个问号,但不能说现在还未用上,今后也就不能用,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。最近据说人们称一种“烯王电池”在研发中,也有厂商去投建资,这将为动力电池取得突破性进展在努力,但愿能早一天看到。

    第三态金属钛合金:专家认为钛合金不属于钢铁金属类,也不属于有色金属类,是有可能自建的第三态体金属。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,这种类型钛合金,既减轻重量而且耐高温,塑性优良,既克服目前加工条件复杂成本高,还可达到工艺简化,成本较大下降,所以得到了很广泛应用,如在飞机,汽车,轮船,机车上被称为与良好的蒙皮材料,与工程塑料,玻璃纤维复合材料的应用各有优势,形成强烈的竞争态势。钛金合在汽车上还有一些事重要用途,如以钛合金代替代不锈钢的消声器,以钛合金制造涡轮增压器壳体和叶轮代替镍基合金;以粉末冶金钛合金锻造制造汽车发动机曲轴、连杆,气门,如在意大利法拉利2003EMZO型超级汽车上V12发动机就采用钛合金连杆;还有一种铁钛系钛合金,制成吸氢合金,用以制造汽车上氢气贮藏器,克服氢气在液态时,需降温到一253℃运作的沉重负担,目前已有作少量应用中,进一步则考虑制成大型的氢运输船和大型车辆的大型氢贮藏体。

    很专业的磁流变液(MR):在近来的车展上人们都看到一种具有半园形的汽车驾驶盘,像飞机的驾驶盘一样,多用在概念车上,而这种汽车驱动的背后就是一种十分专业的磁流变液材料在起作用。

    磁流变液属于一种可控的流体智能材料,已成为当前一些工业领域,包括汽车,十分活跃的分支。它具有良好的高磁导率,低的磁滞性,可以应用微细的软磁性颗粒和非导磁性液体,混合在一起而构成的磁浮体,归纳起来是由母液,易磁化颗粒和稳定剂三种物质为主构成的。当磁流变液处于零磁场时,呈现的是极低粘度,没有阻滞力,当在加强磁场作用时,即呈现出高粘度,固化物体的特性,在极短的时间段(一般在毫秒内),的不断变化,从而达到对某一机械系统控制的目的。在飞机上,特别大型飞机对机翼,机尾,起落架的控制,不可布置众多的纯机械机构,所以应用磁流变技术,极大的简化传导机构,能耗很小成本低,精确性好,包括防颤振,防噪音等好处。当前已应用模糊神经网络计算机系统,一种多旋转式磁流变阻尼器,对远离驾驶员的机翼,机尾,和起落架进行智能控制。上世纪末国际跨国汽车公司也对磁流变液技术引入汽车上,国内个别汽车企业也在试验中,这将使汽车智能传动达到高度的水平。

    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。

    在我们汽车产业意气风发,众志成城的不断去创造中国汽车奇迹的时候,我们明显的感到在发展汽车产业新型材料工程方面,却长期的存在着不少围墙和篱笆现象,你干你的,我干我的,你管生产,我管采购,两个产业的协同,融合、共享虽有一些改进,但非常不够,可以说汽车产业新兴材料工程存在着依赖,隔离,固化,弱势,低端,动荡和杠杆,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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