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未来汽车将使用什么新材料?里边你知道几种?

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-04-17  来源:科技生活馆   [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:未来汽车将使用什么新材料?里边你知道几种?

先注明:以下新材料皆是最新的科研成果,非科幻

(1)热电材料 随着全球工业化步伐的加快,世界性的能源短缺已经成为制约经济社会发展的重要因素。通过热电转换装置利用余热、废热直接进行温差发电不但可以有效地缓解能源短缺问题,也有利于减少环境污染。此外温差发电不需要使用传动部件,还具有工作时静音、无排弃物,对环境没有污染,并且这种材料性能可靠,使用寿命长等优点。 以车载热电发电机为例,在内燃机中汽油产生的总能量的大约1/4被用于真正地驱动车轮,40%随排放热量耗损,30%损失在发动机冷却过程。这意味着70%的可提供能量被浪费了。2008年美国俄亥俄州立大学开发了一种新型高效掺铊碲化铅合金材料,虽然类似的发明并不算新颖,但是此次的这种新型材料的有效范围却在450~950华氏度之间,而大多数的汽车引擎温度恰好在这一区间之内。此外,这种新型材料的转化效率是目前商业应用热电材料的2倍。 在此研究成果的基础上,2010年美国能源部可再生能源实验室在宝马发动机上测试了汽车热电发电机(见下图),试验结果表明该热电发电机能回收尾气管排出的4%-5%废热能,能完全取代车载交流发电机(提供500瓦至750瓦电力),提升整车燃料效率10%左右,而这10%仅仅在美国的通用车辆每年节约超过1亿加仑的燃料。

由于热电效应是可逆的,因此可以在热电材料上加载电压来实现制冷。与现行的压缩式制冷或吸收式制冷方式相比,半导体制冷是靠电子(空穴)在运动中直接传递热量来实现的,因而有如下优点:不需要制冷剂,无污染、清洁卫生;无机械传动部件,结构简单、无噪声、无磨损、可靠性高;通过改为工作电流的大小来调节制冷速度和制冷温度,控制灵活;热电堆可以任意排布、大小形状皆可根据需要改变等。典型应用包括:半导体冷阱、恒温槽、红外探测器、图像传感器、计算机芯片冷却、便携式冷暖箱、医学及生物仪器、饮水机、除湿机、电子空调器、集成电路高低温实验仪及局部控温系统。特别需要指出的是热电材料在国防上的应用,如卫星上的预警用红外探测器需要在低温条件下才具有高的灵敏度和探测率,其制冷器要求质量轻和无震动,热电制冷器是最好的装备器件。

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(2)碳纤维复合材料 碳纤维(见下图)是一种主要由碳元素组成的特种纤维状碳材料,其含碳量随种类不同而异,一般在90%以上,具有极高的高比强度和比模量(是指材料的模量与密度之比,是材料承载能力的一个重要指标,比模量越大,零件的刚性就愈大)。

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碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合,制成r的结构材料简称碳纤维复合材料。简单而形象的理解就是假设碳纤维是金属网,把金属网嵌入到塑料中,那么这种材料就比单纯的塑料具有更好地机械性能。 飞机制造商将复合材料应用于民用和军用航空已有几十年历史。空客公司方面,1988年空客投产A320,是第一架全复合材料尾翼的机型。空客最新一代产品A380在研制中使用了创新的玻璃纤维增强铝材料,与传统铝材料相比,重量轻、强度高、抗疲劳特性好,维修性能和使用寿命也得到大大改善,不需要特别的加工工艺。飞机约25%由高级减重材料制造,其中22%为碳纤维混合型增强塑料,3%为首次用于民用飞机的玻璃纤维增强金属板。A380首次采用了复合材料碳纤维制成的连接机翼与机身的中央翼盒。波音公司方面,1995年波音777型客机也采用了复合材料尾翼。波音787是首次全机身机翼使用碳纤维复合材料代替金属材料制造的客机。早在2003年3月,波音就向联邦航空局提交了认证申请,并于2010年4月进行了认证飞行试验(受制于工艺开发和生产挑战,波音公司四次提出认证飞行推迟的请求,认证飞行原本应在2008年进行)。2011年8月,波音公司完成了所有要求的飞行试验,并得到了联邦航空局的机型验证。

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目前世界高性能碳纤维原丝和碳纤维制备技术主要掌握在日本的东丽、东邦和三菱等企业手中。其他国家正在努力降低碳纤维成本,并将其应用于汽车行业是各国最求的目标,例如: 2009年11月,宝马与德国西格里集团也签署了类似的协议,成立合资企业,致力于生产轻量电车和混合动力车用碳纤维复合材料。 2011年2月,奥迪与福伊特签署协议,致力于实现纤维增强塑料复合材料的工业化量产。 2011年10月,德戴姆勒和日本东丽合资建厂生产碳纤维强化塑料。 2011年12月,通用汽车宣布与日本帝人公司签署类似的协议,联合开发碳纤维汽车零部件,据称开发的这种材料比常规优质钢要结实十倍,但是重量仅仅是其1/4。 2012年4月福特陶氏合作开发汽车用低成本碳纤维复合材料。

(3)超硬超耐磨材料 单纯的水泥做的路不耐磨,人们通常的做法用水泥路面加上又硬又耐磨的鹅卵石,这样的路就非常耐用。发动机用久了,内部磨损就非常严重,如果将''鹅卵石''加入到发动机内部材料设计上呢? 钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。但是钛合金的硬度和耐磨性较差。碳化钛硬度大,是硬质合金生产的重要原料,并具有良好的力学性能,可用于制造耐磨材料、切削刀具材料、机械零件等。以碳化钛颗粒(是一种具有非常高硬度的鹅卵石)增强钛合金,可以显著增加钛合金硬度。美国航空航天局采用了碳化钛颗粒增强钛合金。试验表明,增强后的钛合金硬度增加了26%(下图)

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钛可与空气中的氧、氮、一氧化碳、水蒸气等物质产生强烈的化学反应,在表面形成碳化钛及氮化钛硬化层。在钛合金处于摩擦条件下,表面的这层硬化层磨掉之后,钛又将发生化学反应生成新的硬化层,周而复始。因此钛合金的磨损非常严重。为了解决这个问题,美国航空航天局与美国空军研究实验室联合开发了一种新技术,在钛合金上附着一层多壁碳纳米管薄膜,试验表明能够这层多壁碳纳米管薄膜能够起到很好的润滑作用(下图)。

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(4)车内空气净化材料 由于车内长期不通风,加上各种装饰材料和各种家用化学物质的使用,车内空气污染的程度越来越严重。车内有害气体主要有装饰材料等释放的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢、氨气以及各类臭气等。据有关部门测试,车内空气中挥发性有机化合物高达300多种,其中对人体容易造成伤害、甚至致癌的就有20多种,极大地威胁着人类的健康生活。随着人们健康和环保意识的增强,人们对具有光催化净化室内空气、抗菌杀毒等功能性绿色环保材料的需求日益迫切,纳米二氧化钛光触媒的出现为环境净化材料的发展开辟了一片新天地,也为人们对健康环境需求的解决提供了有效的途径。 世界上能作为光触媒的材料众多,包括二氧化钛、氧化锌、氧化锡、二氧化锆、硫化镉等多种氧化物硫化物半导体,其中二氧化钛因其氧化能力强,化学性质稳定无毒,成为世界上最当红的纳米光触媒材料。二氧化钛的禁带宽度约为3.0eV,属于紫外光激发范围,因此在应用上须以紫外光为光源,才能具有光催化作用。二氧化钛的粒径大小亦会影响光触媒功能,二氧化钛粒径大小须在5~30纳米范围内,才具有较好的光催化活性,最佳的粒径大小约为7纳米左右。利用光触媒材料经紫外光线激发后,进而活化空气中的水气分子或氧气分子形成氢氧自由基或负氧离子,进行氧化或还原作用,以分解环境中的污染物,即可应用于去除空气中或废水中的污染物,亦可应用于抑制或灭除附着于表面的细菌,达到抗菌效果。 纳米光触媒在光照下,自身不发生化学变化,却可以促进化学反应的物质,其功能就象光合作用中的叶绿素。当其吸收太阳光或其他光源中的能量后,粒子表面的电子被激活,逸离原来的轨道,同时表面生成带正电的空穴。逸出的电子具有强还原性,空穴则具有强氧化性,两者与空气中的水气反应后会生成活性氧和氢氧自由基。活性氧、氢氧自由基能将大部分有机物、污染物、臭气、细菌等氧化分解成无害的二氧化碳和水。

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(5)斥水材料 车主们雨天开车的时候,有没有因为车窗上的水珠干扰了视线而烦恼呢?有没有一种玻璃,上面不沾水呢?让我们先看看大自然中是不是有这种神奇的东西吧。

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水黾在水上稳定站立、快速行走归功于腿部特殊的微纳结合的结构效应。在高倍显微镜下观察发现,水黾腿部有数千根按同一方向排列的多层直径不足3 微米的刚毛,这些刚毛表面形成螺旋状的纳米沟槽,吸附在沟槽中的气泡形成气垫,从而让水黾能够在水面上自由地穿梭。其原理见下图。

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实际上,已经有某些中高档轿车使用了斥水玻璃,例如凯美瑞2.5(这可不是给我的车做植入式广告啊)及以上车型的前车窗都使用的斥水玻璃。

(6)储氢材料 随着人类对可再生能源的重视程度越来越高,氢能作为一种绿色清洁能源具有广阔的发展前景。目前,限制氢作为燃料用于工业和人类生活中的难点主要是在氢的发生、储存和运输等方面还存在问题。科学家们已根据氢的物理化学特性研究得知,若使储氢材料具有实用价值,必须具备以下特性:储氢含量高,具有高度的反应可逆性,且可在常温常压下进行;具有良好的循环性,而且循环的次数要足够多;易活化、滞后效应小;具有优良的抗毒性能。此外,在研究设计时还应注意要尽量满足比重小、能量密度高、制造工艺简单、安全等特性。由于目前人类科学技术水平的限制,还未能发现能同时满足上述多数条件的储氢材料,因而其应用也受到了很多限制。 20世纪60年代,材料王国里出现了能储存氢的金属和合金,统称为储氢合金,这些金属或合金具有很强的捕捉氢的能力,它可以在一定的温度和压力条件下,氢分子在合金(或金属)中先分解成单个的原子,而这些氢原子便''见缝插针''般地进入合金原子之间的缝隙中,并与合金进行化学反应生成金属氢化物,外在表现为大量''吸收''氢气,同时放出大量热量。而当对这些金属氢化物进行加热时,它们又会发生分解反应,氢原子又能结合成氢分子释放出来,而且伴随有明显的吸热效应。别看储氢合金的金属原子之间缝隙不大,但储氢本领却比氢气瓶的本领可大了。具体来说,相当于储氢钢瓶重量1/3的储氢合金,其体积不到钢瓶体积的1/10,但储氢量却是相同温度和压力条件下气态氢的1000倍。 迄今为止,在已发展的稀土金属系(AB5型)、钛系(AB型)、锆系(AB2型)和镁系(A2B型)储氢合金中,镁系合金是很有发展前途的一种。镁基合金储氢原理是氢气吸收过程中镁纳米颗粒与氢气相互作用,形成氢化镁;氢气释放过程中,氢化镁分解成镁与氢气。但是金属镁化学性质非常活泼,容易与水和氧气发生化学反应,从而使得储氢效率变得极低。为了解决这个问题,2011年美国劳伦斯伯克力国家实验室开发了一种新技术,研究人员用一种选择性透过有机聚合物将镁纳米颗粒包裹起来,这种有机聚合物的特点是能选择性地让氢气分子自由进出,而将氧气和水分子隔绝在外(图3-8)。研究结果表明,该技术无需使用重金属做催化剂,且储氢密度较高(氢气重量能达到总重量的4%),冲入氢气的速度较快(能在200°C条件下,在30分钟内充满)。

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(7)金属玻璃 研究人员发现,当对液态金属快速冷却,即金属的原子还没有时间排列整齐就冷却成固体了,这样形成的金属材料称之为金属玻璃。如果说钢铁等晶态固体的原子排序好比列队整齐的阅兵式阵列,那么玻璃等非晶态固体的原子排序就像是王府井大街上熙熙攘攘的人群。 1960年加州理工学院的科学家们首先发现了金属玻璃(又称非晶合金),金属玻璃既有金属和玻璃的优点,又克服了它们各自的弊病(玻璃易碎,没有延展性,而金属硬度和耐磨损性能不佳)。金属玻璃兼有玻璃、金属、固体和液体的某些特性.比如:金属玻璃是迄今为止最强的材料之一,一根直径4mm 粗的金属玻璃丝可以悬吊起3吨的重物;将它浸在强酸、强碱性液体中,仍能完好无损;具有接近陶瓷的硬度却在一定温度下能像橡皮泥那样的柔软、像液体那样流动。 由于金属玻璃的形成需要大于106K/秒的冷却速率,使得形成的合金呈很薄的条带或细丝状,因而限制了这类材料的应用范围,同时也影响了对其许多性能进行系统、精确的研究.寻求具有很强玻璃形成能力,大块状金属玻璃一直是非晶物理和材料领域科学家们追求的目标,并为此做出了艰苦的努力。由于大块金属玻璃具有耐磨、抗疲劳、抗腐蚀等优良的性质,在汽车发动机、传动系统等具有广阔的应用前景。下图为中国科学院物理研究所研制的大块金属玻璃的照片。

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(8)真菌泡沫 美国Ecovative Design公司用农作物副产品和菌丝体像培育蘑菇一样生产可轻易降解的新一代无公害包装材料,有望完全替代以石油为基础的塑料泡沫,可用于汽车保险杠、门、屋顶、发动机托架、仪表板和座椅等等。

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(9)烧结稀土磁体 稀土材料对风力发电机、纯电或混合动力汽车等新能源装备制造业至关重要。小型的烧结稀土磁体就可以提供强大的磁场,使得制造商能够制造出更小更轻的发动机。美国电子能源公司与特拉华州立大学合作开发出新型烧结稀土磁体制造工艺,提高电阻率30%,可在发动机高速运转的情况下降低发动机能源损耗。下图镀镍钕磁体,是应用最广泛的稀土磁体之一。

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(10)自愈合材料 仿生学的一个重要趋势是非活体结构材料在被剪切、撕裂或破裂时,能够具有自我修复的能力。这类材料能够在没有外界人力干预的情况下修复损伤,并给予产品更长的使用寿命。车主们也不用为车子挂了划了感到烦恼了,到太阳下晒晒,就能自动修复,神奇吗?

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(11)石墨烯 石墨烯是一种只有单层原子厚度的平面二维结构,由碳原子六边形(蜂窝结构)紧密排列构成。

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石墨烯的力学性引人瞩目,它是人类已知强度最高的物质,比金刚石更坚硬,强度比钢铁还要高100倍。一片石墨烯能够承受相当于一头大象的重量。计算结果显示,一头大象需要站在铅笔的末端,才能凭借体重刺破石墨烯片。假如利用石墨烯制造轮胎,也许开一百年也不需要更换轮胎,更没有爆胎的危险!

(12)形状记忆材料 这种形状被改变之后,一旦加热到一定的跃变温度时,它又可以魔术般地变回到原来的形状,人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金(如下图)。1932年瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到''记忆''效应,尽管这种合金开发迄今不过几十年,但由于其在各领域的特效应用,正广为世人所瞩目,被誉为''神奇的功能材料''。

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不久和更远的未来,在校准、振动控制、智能夹紧、扭矩传递、触觉及转向系统领域、光热控制、自我修护涂层和零部件以及智能轮胎上大有可为。 通用汽车公司研发中心执行总监Alan I. Taub说:''我们希望零部件都可以采用形状记忆合金移入车内。''比如:车门锁、车窗、风挡雨雪刷以及液体喷射器。''通常我们用电机、电缆、操作杆或校准器等移动零部件,''Taub说:''现在我们更喜欢通过加热镍-钛形状记忆合金进行这一操作。记忆合金可以替代常规校准器,成本更低、重量更轻,需要的零部件及耗费的能源都更少。它还能让我们将动力设备与零部件打包配置。'' 吉尼亚理工大学工程师Daniel J. Inman认为:可自行加热的螺栓,配备了''加热便还原(heat-to-recover)'' 形状记忆合金制成的垫片,能够快速拆卸,重新安装。多年来,Inman及其同事一直致力于自紧固螺栓系统。在这个系统内有''一个微缩芯片''监视螺栓张力,如果感觉到螺栓松动,就会电阻加热激活形状记忆合金垫片,将螺栓紧起。

(13)变色材料 还在为买车时选错颜色而苦恼吗?还在为车子颜色看腻了而郁闷吗?还在为车子颜色单一无法满足你张扬的个性而焦躁吗?未来这些困扰着你的问题都会因为一种材料而解决,这就是变色材料。 通常把在外界条件作用下能发生颜色改变的材料称为变色材料。变色材料通常按照所受的刺激方式分为光致变色材料、热致变色材料、电致变色材料和溶剂致变色材料4 类。下图就是一种热致变色材料。

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变色材料已经在我们周围了,例如现在有的墨镜就是一种光致变色材料,阳光越强,墨镜越深。还有小时候玩过的变形金刚,狂派和博派的标志,也是一种热致变色材料。

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以上是小编知道的资料,大家有什么更新的信息可以说出来一起学习探讨。


 
关键词: 未来汽车 新材料
 
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