车用轻量化高分子材料前瞻

方超

（东风柳州汽车有限公司，柳州 545005）

主题词：高分子材料 轻量化 汽车应用

缩略语

FRP Fiber Reinforced Plastics

CNT carbon nanotubes

STF Shearing Thickening Fluid

STG Shearing Thickening Gel

PE Polyethylene

PP Polypropylene

EPR Ethylene Propylene Rubber

FRP Fiber Reinforced Plastics

TPU Thermoplastic Urethanes

PA Polyamide

CNF Cellulose Nanofibers

1 前言

随着汽车发展、排放标准的提高及人们对汽车安全、燃油经济性的关注，安全、节能、环保已成为汽车研发的热点问题。汽车轻量化是指在成本限制的条件下，为满足汽车的安全性能，采用有效的设计方法，尽可能地降低汽车整车质量，从而起到提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染的作用[1]。世界铝业协会的报告指出：汽车自重每减少10%，燃油消耗可降低6%～8%，排放降低5%～6%。而燃油消耗每减少1 L，CO2排放量减少2.45 kg。燃油消耗量减少不仅有利于节约能源，也可有效减少污染物排放[2]。可见，汽车轻量化是实现节能减排和环保的重要手段和方法。

高分子材料拥有较低的密度和良好的性能，是减轻车体重量的有效途径[3]。在汽车上应用塑料件已达数百个，特别在重型卡车上，塑料和复合材料的应用已超过150 kg[4-5]。这些年，已有较为成熟的轻量化高分子材料（低密度材料[6]、薄壁化材料[7]、微发泡材料[8]、蜂窝材料[9]）及各类常见纤维增强复合材料[10-11]，但在汽车“五化”（智能化、轻量化、电动化、共享化和网联化）要求下[12]，对具有更高轻量化能力的高分子材料的需求也日趋增加[13]。

近年来，通过企业或科研机构的努力，对新型轻量化材料也进行了广泛的研究，主要通过加强材料的强度和/或降低材料的密度来实现质轻高强的性能。虽然这些材料目前还没有广泛应用，但是代表着材料未来轻量化的前沿方向，对未来汽车材料的轻量化具有很好的借鉴指导作用。本文按照这些新型材料轻量化侧重点的不同将其分为3类（图1）：强度类、密度类以及综合类，并对材料的性能进行简要总结。

图1 轻量化材料分类

2 汽车轻量化高分子材料前瞻

2.1 强度类高分子材料

2.1.1 纤维增强材料

纤维增强复合材料[14]（Fiber Reinforced Plas⁃tics，FRP）主要将纤维与具有黏结性的基体树脂进行胶合，再经过模具极易成型得到性能优异的复合材料[15-16]，是1种新型的材料，其中纤维材料对于FRP性能的提升起着重要的作用。相比于传统的钢材，对于减轻结构质量、提高结构效率、改善结构可靠性、延长结构寿命具有其它材料无法比拟的优势[15-17]。目前，玻纤[11]、天然纤维[18]、玄武岩纤维[19]及碳纤维[20]等增强复合材料在汽车领域受到广泛的关注或应用。FRP具有密度低、拉伸强度高、耐腐蚀性好等优点[10,20-21]、同时也具有剪切强度低、弹性模量低、热稳定性差等不足[15]。

目前，已研究了一些综合性能更好的新型纤维材料（表1）。以碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNT)为例，最近，Akira T[39]等首次报道了实验测量的单个结构定义的单壁CNT的极限拉伸强度。经过系统的研究，发现不同类型的碳纳米管的拉伸强度可能在60 GPa以上，这是建造太空梯的最小阈值要求，目前在实验室已经可以制造出这样的高强度碳纳米管材料。清华大学Bai等[29]报道了超长碳纳米管管束，其拉伸材料的拉伸强度超过80 GPa，比强度高达62.5 GPa/g·cm-3，超过T1000碳纤维强度10倍以上。虽然上述纤维具有良好的理论强度，但是在实际研究过程中，往往很难达到，这是因为实际的纤维不可避免的存在结构缺陷，并且表现出相当程度的分散性，因此阻碍了制造具有理想强度重量比的宏观结构材料的发展。比如单壁碳纳米管理论上具有100～200 GPa范围内的极限固有拉伸强度，目前研究出的材料，强度虽然逐渐接近，但都没有办法达到。

表1 各种纤维性能

虽然，对于如何达到纤维的理论强度还需要继续研究，但为得到更好性能的FRP提供了可能。Li等[34]报道了一种石墨烯纤维，通过气液固工艺将碳化硼纳米线与石墨烯粘合在一起，获得石墨烯包裹的石墨烯纤维。添加0.2 vol%的石墨烯纤维增强的环氧复合材料，其强度（144.2 MPa）、弹性模量（3.5 GPa）和断裂应变（15.0%）均同时提高。此外，在保持材料基本性能不变的情况下，研究还朝着赋予纤维更多功能的方向发展。美国莱斯大学生产了一种CNT纤维（4.2 GPa），除了比现有的芳香聚酰胺类合成纤维Kevlar（3.6 GPa）的强度更高外，还具有现有纤维中最强的导电率（10 900 kS/m），除了起增强的作用，也可以给医疗、导电材料应用等领域带来突破[40]。

这些新纤维由于成本及生产条件等多个不良因素的影响，目前研究应用仍处于实验室阶段，但它们在追求更高强度的同时，还在追求更小的密度（表1）及多种特殊的功能。具有优秀性能的新纤维，为未来取代传统纤维增强材料提供了思路，在汽车轻量化上也有良好的使用前景。

2.1.2 剪切增稠材料

汽车作为载人的高速交通工具，安全是所有人考虑的首要因素。在材料方面，主要通过使用高强度钢来提高汽车的安全性。一方面，钢具重量较重；另一方面，所有高强度钢的强度在冲击后都会逐渐下降，并不能接受多次甚至二次碰撞。而剪切增稠材料是一种强度在受到冲击时突然变大且强度与冲击有正相关的智能高分子材料，在实现轻量化的同时可以解决这种多次碰撞时引起的材料强度下降的问题[12]。

剪切增稠是一种非牛顿流体的性能，且具有可逆性。表现形式为：具有该性能的流体当受到的剪切速率超过某一临界值时该流体的粘度会突然增加；当剪切速率逐渐降低时粘度也会恢复到初始值（图2）[41]。目前剪切增稠材料主要分为剪切增稠液(Shearing Thickening Fluid,STF)和剪切增稠胶(Shearing Thicken⁃ing Gel,STG)。

图2 在低速和高速下将小棍拔出的剪切增稠对比试验[42]

由于STF使用时一般只能附着在材料表面，且不稳定、不易封存及携带、并容易从纤维表面脱落，使用受限。STG克服剪切增稠液的上述不足，在不受力的情况下，柔软而富有弹性，当收到外界剧烈冲击时，材料内部分子会迅速相互作用而变硬。当外界冲击消失，胶体又恢复到原先的柔软状态。STG更易封装，携带更方便，性能更稳定，更易实现工业化[43]，美国科学家在2005年已经研发出了一种STG D30[44]，并于2006年冬奥运会时，用于美国和加拿大的高山滑雪队的滑雪服中。现在已经在很多领域中有了应用，如防护装甲、减震头盔、护腿等[45-46]。国内近些年的研究也有相似的产品（P4U）出现，并开始与国内的运动厂商合作生产相关的运动产品。由于材料本身像橡皮泥那样柔软、易变形而不能定型、不能承重等不足，使其目前无法直接应用到汽车上。但该材料良好的安全防护性能在汽车上具有很大的应用潜力，可与各种结构设计相结合得到各种取代金属的轻量化产品，已经陆续出现很多相关的汽车产品专利[47-49]，为在轻量化的基础上实现智能化提供了可能。

2.2 密度类

2.2.1 可膨胀微球

可膨胀微球是一种新型添加剂，并被称为高端工业“味精”，以热塑性高分子材料为壳、可挥发性物质（如低沸点烷烃液体）为核的微球。热塑性聚合物外壳对封入的可挥发性物质形成了完整的密封，直径一般为10～30μm，壳层厚度多在2～15μm，具有良好的弹性，并能承受很大的压力而不破裂（图3a）[50-51]。

可膨胀微球使用原理[50-51]：当加热时，热塑性壳体变软，同时核层会产生大量的气体，微球的体积快速增大，完全膨胀后，膨胀微球的直径从10μm增大至40μm，体积增加约20～100倍，密度可从1.1 g/L下降到0.02～0.03 g/L。当冷却时，膨胀微球外壳再次变硬，体积和形状固定，且经过轻微膨胀的微球，再次加热可二次膨胀。微球膨胀过程是外壳软化、外壳气密性、外压和微球内气体压力增加之间的一个微妙平衡。

可膨胀微球发泡温度范围宽，从70℃～200℃，易加工，可根据各种不同加工温度和工艺要求，选择最合适的微球型号。有以下良好的性能[50-51]：

a.优良的弹性，热塑性壳体有优异的耐压性，表面可承受300 kg/cm2的压力，良好的回弹性可以承受多次循环加压/卸压而不破裂。

b.优异的发泡性能，体积可达到原来20～100倍，可用于汽车保险杠、轮罩、仪表盘、门板、发动机罩、进气系统、侧护板等部件，可增加产品体积、降低密度、提高抗热性能及抗压性等性能（图3b）[50-51]。

图3 可膨胀微球

国外最早的热塑性可膨胀发泡微球技术研究可追溯到20世纪70年代，高温热膨胀微球的研究起步于20世纪90年代末。由于我国研究起步时间晚，加之专利限制等因素，使用不多；目前热塑性可膨胀发泡微球的生产主要集中在荷兰的akzo（阿克苏诺贝尔公司）、日本的松本油脂制药株式会社、积水化学工业株式会社和美国的POLYCHEM公司等公司[51]，最近山西运研新材料公司正在建设具有年产11×104t可膨胀微球项目，此项目打破国外垄断，为在国内推广及应用提供了可能[52]。

2.2.2 聚酰胺泡沫材料

据报道，材料供应商旭化成(Asahi KASEI)已经新开发出世界上第一种创新型聚酰胺（Polyamide,PA）珠子泡沫塑料（图4a）：即在聚苯乙烯标准成型设备上，采用蒸汽成型工艺，制得PA发泡珠材料。并在生产过程中可显著减少树脂，从而有效降低总成本。PA泡沫材料除了具有聚酰胺典型的耐化学、耐油和耐热性能外，还具有优异的刚性或降噪能力。后2者性能由珠子的形状决定：圆形珠子组成的PA泡沫具有很强的刚性，是铝和金属结构的优良替代材料，也可用于生产绝缘体、导管、垫片或电动汽车电池外壳等其他轻质部件；具有C型或通心粉形状的PA泡沫除了典型的聚酰胺特性之外，还具有降噪性，在很多汽车部件中有潜在的应用，特别是在发动机舱中，材料可以展现其独特的品质[53]。

最近，另一材料供应商巴斯夫宣布首次推出了基于不同等级的聚酰胺组合泡沫颗粒（图4b），该材料具有独特的特性，包括耐高温、出色的耐化学性、刚度及强度，可以与燃料、机油和润滑剂接触。此外，闭孔泡沫结构提供了出色的抗压强度，而抗压强度是在承受高强度碰撞时的必要性能。成型零件的密度可以在0.15～0.60 g/cm3的范围内调节，其可灵活调整的密度使其可以在轻量化产品中得到应用[54]。

PA泡沫除了具有低密度的特性外，也在追求更好的性能。在泡沫界，金属泡沫具有防弹护身功能，最近佐德风公司ZOTEFOAMS利用独特的氮气发泡工艺，开发了具有防弹能力的PA6基材的交联闭孔泡沫(ZOTEK N尼龙泡沫，图4c)，对该泡沫集成的防弹/防护产品进行测试，其背凸深度在25～30 mm左右，远远好于美国防弹标准（NIJ）要求。该泡沫集中了尼龙和泡沫的综合优势于一体，包括：较轻的密度（0.052～0.100 g/cm3）、优越的耐温性能（可达205℃）、极强的“吸能”性能、透气、耐洗、可重复使用、优异的耐化学性、极低的导电率。它也可以用来制造复合材料的夹心层（三明治结构），在不降低性能情况下，大大降低重量，从而提高相关设备的综合性能，可应用于防弹、防护行业、防护面板、头盔及悬挂系统，以及相关行业的复合应用，在汽车防护领域（防热罩、热塑隔热电池组、变速传动密封等）的轻量化具有广泛的应用潜力[55]。

图4 聚酰胺泡沫材料

2.2.3 气凝胶材料

气凝胶是由胶体粒子或聚合物分子相互聚集构成的微纳多孔网络结构，并在孔隙中充满空气分散介质的一种新型轻质固体材料，具有极低的表观密度（可低至0.002 g/cm3）、高孔隙率（80%～99.8%）、高比表面积（100～2 000 m2/g）等特点，从而使其具有良好的阻隔性能、极低的热导率（0.01～0.04 Wm-1·K-1）以及高吸附、催化和负载等优异性能。因此，气凝胶有望作为隔热保温材料、阻燃材料、隔音材料、轻量化材料、催化剂载体材料、光学器件及电极能源材料等得到广泛应用，被视为“未来最具潜力的十大材料之一”[56-58]。

世界上第一块气凝胶是Kistler在1931制得的SiO2气凝胶[59]，到20世纪80年代末，气凝胶迎来了从无机领域向有机领域的大发展—Pekala[60-61]等成功实现了有机气凝胶的制备。在人们对于气凝胶在声、热、光、电等各方面的物理性能进行了更加深入地研究，气凝胶在保温、声学、电学等各个领域的应用潜能也被相继提出并逐渐发展[56-58]。随后国内对于气凝胶研究和应用，也逐渐赶上并达到世界先进水平：在研究上，浙江大学高超课题组通过将石墨烯和碳纳米管混合的水溶液在低温环境下处理得到一种新的超轻气凝胶——全碳气凝胶（图5a），成功刷新了最轻材料的世界纪录，其密度仅为0.16 mg/cm3[62]；在应用上，此次中国的“天问一号”火星探测器和“祝融号”火星车，采用的是中国航天科工三院306所研发的气凝胶材料。为对抗火星“冰火两重天”的温度考验，耐高温纳米气凝胶隔热组件用于阻隔着陆发动机产生的高达1 200℃的高温热流，保护着陆平台的正常功能；而耐低温纳米气凝胶组件则用于“祝融号”火星车的表面，这样能够确保火星车在-130℃的环境正常工作（图5b）[63]。

图5 气凝胶材料及应用

通常，气凝胶的制备过程分为2步：先制备果冻状的水凝胶，然后通过冷冻干燥或超临界干燥等技术手段得到气凝胶。然而，这些干燥处理技术往往耗能高或耗时较长，需要特殊的实验设备，从而大大增加了气凝胶的制造成本及时间，阻碍了其大规模化生产应用[56-58]。最近，Lars等[64]开发出一种新颖的、低成本且可持续的生产气凝胶的技术路线，只需要借助厨房冰箱冷冻层，通过丙酮（和酸）溶剂交换和空气干燥等简单程序，便可以轻松制备出纤维素纳米纤维（CNF,Cellulose Nanofibers）气凝胶，从而避免了高耗能的冷冻干燥和超临界干燥等复杂的方法，提供了新的绿色环保、低成本且高效的方法，为大规模制备气凝胶材料提供了可能。

虽然气凝胶目前无法批量化生产及应用，但其很低的密度及优秀的性能非常符合汽车的轻量化发展趋势（如：隔热毛毡[65]、保温厢体[66]），在未来汽车轻量化上具有很大的使用潜力。

2.3 综合类

2.3.1 仿生多孔新材料

仿生结构材料是通过研究生物形态、结构、材料、功能及其相互关系，分析生物功能、结构与工程的相似性，从而设计并制备的仿生结构材料[67]。目前已对动物类（如：啄木鸟头骨、壁虎脚、蜻蜓翅膀、贝壳）和植物类（如：木材、竹子、树叶、硅藻）等材料（图6）进行了广泛研究[68-69]。

图6 各种材料的强度与密度的关系[69]

多孔材料具有轻质高强、减震吸能、隔热隔音等优异性能，在航空航天、轻量化军事装备等方面都有广泛应用潜力，也是汽车轻量化材料未来发展应用的一个前沿方向。然而，目前人工合成的多孔材料，在结构复杂性和性能优越性方面仍远落后于许多天然生物多孔材料，因为生物的进化趋向是用最少的材料来承担最大的外力[67]，因此模仿天然生物材料的结构并理解其优异性能的机制将有助于设计新一代的高性能低密度的多孔材料[70]。

甲虫鞘翅是国内研究较多的一种具有轻质、高比强度、耐损伤等优良性能的多孔结构复合材料。比如陈锦祥等[71]通过模仿甲虫前翅内部微细结构制造出蜂窝-柱子芯复合材料的三维模型，其具有抗压强度好、抗扭曲能力强，质轻等优点。

近期，柏浩等[70]发现天然墨鱼骨为层状结构，层间由不对称波浪壁连接，这种结构让具有90%以上孔隙度的墨鱼骨可以承受水下100～400 m的静水压。受天然墨鱼骨结构启发，该研究团队设计制备了轻质、高强并且具有高能量吸收能力的新型多孔材料，该仿墨鱼骨材料甚至能够承受超过自身5万倍的重量。

仿生材料除了追求轻质高强的基本性能外，还在研究材料的多功能化。俞书宏院士课题组[72]以木材独特取向的孔道结构为灵感，以传统的热固性树脂（如酚醛树脂和密胺树脂）为基体材料，成功研制了一系列具有取向孔道结构的树脂基仿生人工木材，性能优于传统的陶瓷基仿木头结构材料。该材料除了具有轻质（密度<600 mg/cm3）、高强(高达45 MPa)的特点外，由于采用树脂作为基体材料，仿生人工木材还表现出优异的耐水、耐酸腐蚀、防火和隔热性能、综合性能优于多种气凝胶材料、工程材料和商业等产品。

虽然陆续有很多生物结构被发现和研究利用，但由于动植物结构的精细及复杂程度，特别是多孔结构及各种复合结构（如坚硬外壳或鳞片结构[73]）（图7），目前还难以完全模拟，大规模工业化短期难以实现，大量研究成果仍处于实验阶段。但这些研究为利用生物启发设计和制造高性能多孔轻量化材料提供了新的策略，为未来汽车、军事等领域使用提供了理论可能。

图7 各种生物多孔结构

2.3.2 微点阵材料

微点阵材料是近年来兴起的一种新颖的多功能超轻材料。从2011年Schaedler等[74]制备得到超轻多孔微点阵镍材料（ρ≥0.9 mg/cm3），成为当时“世界上最轻的材料”以来，对微点阵材料的研究不断增加（图8a）。

图8 微点阵及应用

微点阵材料是一种微米量级的点阵材料，最大的特点是其结构的有序性，与其它超轻材料（如：气凝胶）相比是一种周期性有序且可设计性极高的多孔材料，具有更好的硬度和比强度等力学性能（图9），且该类材料在吸/疏水、电磁、光学、声学、吸能等方面有着不可思议的特殊能力。所以，其应用潜力十分广泛，包括航天航空、医疗器材、减震器[79]、机器人[75]（图8b）、散热器[76]（图8c）、电池电极[80]，汽车等领域[81]。

图9 现有材料的强度与密度的关系[82]

微点阵材料可设计性强，借助计算机软件可按照需要设计任意结构，而传统制造方法制造的点阵多孔材料的缺陷多,难以生产复杂、精细的点阵结构，近年来快速发展的增材制造技术为微点阵材料的制备提供了可能，既减少了生成工序也可制造任意复杂点阵结构[83]。比如Jacobsen等[84]在3D打印的光敏树脂微点阵材料表面浸渍丙烯腈，然后高温烧蚀得到了超轻的玻璃碳微点阵，这种材料的压缩强度可达到10.2 MPa（图8d）。Cheung等[78]制备出了一种的碳纤维增强复合材料，这种材料通过3D打印出来，并可以像积木一样进行可逆的拆卸、再组装。其密度在7.2 mg/cm3时，对应的弹性模量可达12.3 MPa。在相同重量下，比现有的超轻材料的刚度高10倍（图8e）。

虽然，微点阵材料的制备工艺已经开始发展，制备特征尺寸在微纳级别的点阵材料也可以做到，但受限于原材料特性、工艺局限、材料表面及内部缺陷及不可控因素还没有得到较好的解决，还需要继续研究[85-87]。

2.3.3 组合复合材料

对更高性能的轻量化材料，企业方面也在进行持续的研究，主要的研究方向为通过将传统各种材料进行组合、结构等设计，以得到更优性能的组合复合材料。

混合纤维和结构泡沫增强聚合物：为取代传统金属设计，德国汉高采用高纤维增强聚合物（Fiber Rein⁃forced Plastics,FRP）和选择性增强材料（源于汉高Teroson EP结构泡沫）制成实体框架或载体。泡沫在被注入预定部分的载体中，并在混合组件和白车身的相邻部件之间创建刚性连接。主要用于车身部位和封闭部件，包括保险杠、挡泥板、门和门柱，以及门槛、侧板和尾门。与传统金属部件相比，车辆可减重约40 kg。同时，不影响典型碰撞场景的安全性，并提升成本竞争力[88]。

沙基工业推出了Xenoy HTX树脂：这是一种以聚酯为基础，能够用于生产轻型、抗冲击和高性能的汽车结构。采用了混合蜂窝状设计，可以在不影响尺寸稳定性、刚性和机械强度的情况下，减轻60%的重量。该种材料作为一种轻型金属替代解决方案，应用包括白车身组件、结构加固组件以及电动汽车电池保护系统。此外，还提供一种可完全替代聚酰胺6.6（PA66）化合物和合金的材料。未填充的树脂经过改性，可以吸收大量的能量，并在发生碰撞时可以防止塑料变形。具有低温延展性和极高的伸长率，能够在低温情况下保持稳定的性能。此外，该材料增强了流动性，在保证成本效益的前提下，让设计人员在设计复杂几何形状时，具备更大的自由度（图10 a）[89]。

结构组合材料：在2020年国际消费电子产品展览会上的日产汽车展示了全新轻量化超级隔音材料（图10b）；该材料荣获《Popular Science》（《科技新时代》）汽车类最佳创新奖。这种新材料由晶体结构与塑料薄膜组合而成，可以有效控制空气震动，降低车辆在道路行驶和发动机工作时产生的宽频噪音（500～1 200 Hz）的传播。目前，该频段隔音材料大部分由重型橡胶制成。全新超级隔音材料在重量上做出的优化，使在不改变隔音效果的情况下，重量较传统隔音材料减轻75%；且全新超级隔音材料的生产成本与传统隔音材料几乎持平，甚至更具有竞争力，还适用于受成本或车身净重限制的车辆[90]。

图10 组合复合材料

虽然这些组合材料在轻量化效果上远达不到气凝胶、微点阵等新材料的程度。但这些组合材料运用已使用的传统工业化材料来组合设计，可工业化生产潜能大，具有较早使用在汽车上、用来取代多个金属零件来实现轻量化的可能。

3 结论

高分子材料在汽车轻量化领域中发挥的作用越来越大，同时也推动着高分子材料向高性能、低密度和多功能的方向发展。开展新轻量化材料的研究对引领未来汽车轻量化起到推动和支持作用。虽然这些新型轻量化材料具有优秀的性能，但距离在汽车上使用仍然需要一段时间，主要原因为：

（1）国外企业对轻量化材料的研究领先于国内（组合复合材料、聚酰胺泡沫），且存在技术封锁（可膨胀微球），国内虽有突破（剪切增稠材料、可膨胀微球），但还需要继续追赶；

（2）科研关注的轻量化材料，部分也接近到或达到世界先进水平（微点阵材料、高强度纤维、仿生材料、气凝胶等），有一些材料已经用于航天领域（如气凝胶），但推广应用到汽车等多个日常领域，仍然面临很多挑战，还需要继续研究，如新材料本身涉及到多领域和多学科，增加了研究难度；

（3）新材料生产成本极高、生产无法规模化等不良因素导致短时间内无法推广使用。

随着增材制造、纳米技术等科技的发展，对于制备体积更小、质量更轻、强度更高、结构更复杂的轻量化材料将成为可能，同时这些材料的工业化也将随着技术的发展而逐渐成为可能，相信未来在航天航空、军事、汽车等多个领域都具有广泛的应用前景。