基于新材料新技术的新能源汽车低碳设计探析

李娇杰 袁新林

摘要：为了推动绿色低碳的发展，在汽车制造过程中运用低耗环保的新材料与新技术尤为重要。免喷涂塑料、聚双环戊二烯工程塑料与共聚酯材料具备绿色、环保和可回收等性能，4D打印技术、一体化压铸技术与辊冲复合成形技术具备低能耗、低碳和高效率等优势，相较于传统材料而言，可以更好地满足我国对于环境保护性、资源节约型社会建设的需求。详细阐述了免喷涂塑料、聚双环戊二烯工程塑料与共聚酯材料的性能、应用和影响，分析了4D打印技术、一体化压铸技术与辊冲复合成形技术的性能、应用和影响，得出新材料与新技术可以推动新能源汽车工业向更高效、更环保的方向发展，提供低碳设计的发展空间。

关键词：新能源汽车；新材料；新技术；低碳设计

中图分类号：U469.7  收稿日期：2023-10-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406027

1 前言

我国政府提出要大力发展绿色低碳产业，新能源汽车产业作为发展重点之一，解决了使用过程中的动力的低碳问题，主要是石化能源更换为来自太阳能、风能和水能等其他形式能量转换的电能，但是新能源汽车还需要在生产过程中进行更深一步的低碳化变革，才能真正助力碳达峰、碳中和战略。因此排除动力系统的应用，汽车生产制造过程中的新材料和新技术工艺的应用可使汽车低能耗、低碳方面更为完整。

本文分析了免喷涂塑料、聚双环戊二烯工程塑料、共聚酯材料，以及4D打印技术、一体化压铸技术与辊冲复合成形技术在新能源汽车低碳设计中的应用和取得的绿色、环保、低能耗、低碳和高效率等效果，旨在向读者介绍不同于传统的材料与汽车制造技术在低碳设计中的应用，并展望新能源汽车行业的未来。

2 新材料在新能源汽车低碳设计中的应用

随着新能源汽车制造业步入成熟发展阶段，零部件及其材料逐渐向轻量化和节能化发展，最终达到节能减排与降低生产成本的效果，其中，免喷涂塑料、聚双环戊二烯工程塑料与共聚酯材料这三种新型材料可以做到低碳设计。

21 免喷涂塑料

免喷涂塑料是指不再需要使用传统的喷涂技术，能够直接注射模型成形就可以制作出多彩外观效果的材料，并且拥有超高光泽、耐化学溶剂、绿色环保和降低生产成本等优势。基材、有色颜料和助剂这三个部分组成了免喷涂材料。目前免喷涂塑料基材有PA、PP、PC、HIPS、PC＼ABS、ASA、 ABS、PMMA、ABS＼PMMA、PBT和POM等[1]，有色颜料有铜粉、珠光粉、陶瓷粉、荧光粉和高光色粉等。免喷涂材料多应用于家电、汽车和3C等领域[2]。

在新能源汽车制造领域中，内饰和外饰件越来越多地采用免喷涂塑料，其中内饰和外饰件有汽车导航仪面板、汽车门把手、后视镜壳体、立柱外护板和防擦条等[3]。如铃木汽车的彩色导航面板使用了免喷涂树脂，不仅具有鲜亮的颜色，同时有着高端质感。在2021深圳橡塑展上，免喷涂的优势得到充分展现，其中，免喷涂PC+ABS用于汽车车门把手制造，免喷涂ABS+CNT用于汽车后视镜。免喷涂塑料由于有着较低挥发性有机化合物含量而且释放的气味比较小，在节约生产成本以及绿色环保的同时，符合汽车制造工业的发展趋势[4]。在环境保护方面，免喷涂塑料有着压倒性的优势，对环境非常有利，而且在健康管理方面也有着极大的益处，避免了喷漆带给人体危害。

免喷涂塑料极大地满足了新能源汽车制造领域的需求。它符合新能源汽车发展趋势，满足轻量化、便捷化、成品率高、低成本、低污染和可循环使用等要求。

22 聚双环戊二烯工程塑料

聚双环戊二烯（PDCPD）是一种环境友好型工程材料，是由双环戊二烯（DCPD）经有机金属催化聚合而形成的具有交联三维网状结构的聚合物[5]。这种新型工程材料不仅具有优异的耐酸碱性、耐水性、耐候性、电绝缘性、表面涂覆性以及卓越的力学性能等特性，而且其制品可以回收利用。聚双环戊二烯材料还在体育器材、工程机械、汽车及化工防腐等领域有着很好的应用前景。

聚双环戊二烯可以代替玻璃钢和铝合金等材料应用到新能源汽车的壳体以及其他部件中，还可以进行回收利用，达到节约资源、降低排放、适应时代的目的。聚双环戊二烯可制部件有轮眉、保险杠、护板、侧板、底保护壳、导流罩和翼子板等。例如派迈新材料有限责任公司使用聚双环戊二烯生产出轮眉及车身壳体等部件。相比于玻璃钢及金属等材质，使用这种工程塑料的新能源汽车能够使车身轻量化，组装更加轻松，生产周期短，其中使汽车达到轻量化的效果不仅能够节能减排，还能提高汽车动力效能。在回收利用方面，当应用聚双环戊二材料制成的汽车部件变成废料后，通过加工粉碎造粒，作为热塑性塑料如PP、PE的填料循环利用。

因国家环保政策的支持、人们环保意识的提升以及生产管理制度的完善，聚双环戊二烯在新能源汽车行业得到了发展的契机。聚双环戊二烯的原料一旦实现国产化，使原料成本降低，这个新型材料将会出现于更多的应用领域。

23 共聚酯材料

共聚酯材料是由苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）和1，4-环己烷二甲醇（CHDM）这三种单体进行缩聚形成的透明塑料复合材质，又称为SKYTRA[6]。据研究发现，共聚酯材料具有较高的透明度、较好的韧性以及较强的抗腐蚀性等性能。因共聚酯材料添加了从玉米中提取的生物原料，拥有明显的生物塑料特性，成为一种绿色、低碳、环保的新型透明工程塑料。

共聚酯材料不仅在新能源汽车内饰面料设计中具备很好的应用潜力，而且其绿色、低碳以及环保等特性与新能源汽车的发展趋势十分匹配。共聚酯这种新型复合材料具有较高的实用性，“2018平昌冬季奥运会和冬季残奥会”上使用的官方氢燃料车的生产采用了这种绿色环保型工程塑料。研发部门对共聚酯用途进行开发，试图在多种车型和汽车零部件上使用共聚酯复合材料。共聚酯这一材料的运用可以有效地把汽车内饰材料转变成无害、绿色、低碳、环保的材料，与环保、美观、实用等优势完美融合。

共聚酯材料可应用领域非常广泛，其中包括医疗、包装以及玩具等，但其应用价值在新能源汽车行业上显得尤为明显。在新能源汽车制造过程中，共聚酯这种材质不仅具备绿色、环保及节能等特性，而且它与社会低碳发展需求高度一致，实现绿色设计、环保设计。

3 新技术在新能源汽车低碳设计中的应用

在传统汽车制造的基础之上，新能源汽车仍有很多全新的工艺技术亟待开发。为了推动绿色低碳的发展，汽车中加工制造技术以轻量化与智能化为发展方向，其中4D打印技术、一体化压铸技术与辊冲复合成形技术这三种新技术具备有效降低油耗、减少排放和降低生产成本等优势。

31 4D打印技术

4D打印技术是在3D打印技术的基础上进行升级，具体是对材料、技术以及应用等方面进行升级。4D打印技术拥有生产成本低、可以成形的智能构件和设计自由度高等优点。该技术是指在特意设定的刺激下，三维物体通过运用3D打印技术和“可编程物质”实现自我变换物理属性的能力[7]。其中，通过编程方式，更改属性的物质就是“可编程物质”，其属性涵盖了外形、颜色、弹性、密度和电磁特性等。

在汽车制造领域，4D打印技术能够生产可变换外形的汽车零部件，满足对产品的组合部件性能、外在形状和内部结构等需求；同时，4D打印技术可以很好地解决目前资源消耗量大、空间日益减少和碳排放高等问题。首次在汽车领域运用4D打印技术这一成果是由宝马公司实现的，该公司通过使用4D打印技术制造出一种覆盖在车轮上的柔性板，这种柔性覆盖板让车轮能够根据环境调整形状，达到减少风阻和降低能耗的效果，做到充分发挥优异的空气动力学性能。宝马在百年庆典活动中还发布车身材料使用4D打印技术制造的全新概念车“BMW VISION NEXT 100”。在环境保护方面，等材制造和减材制造不仅消耗大量能源资源，还会产生巨大的碳排放，而4D打印作为增材制造，改变了传统制造的理念和模式，缩减了开发周期与生产成本，并且有效减少碳排放量，推动绿色生产助力可持续发展的未来。

虽然4D打印技术的发展时间比较短暂，但是4D打印技术一问世就得到了各行各业的高度关注，与此同时研究人员在4D打印技术的设施创新、材料应用上的拓展、软件上的应用和设计工具的研发等方面展开一系列研究。

32 一体化压铸技术

一体化压铸技术是一种新型汽车零部件制造技术，它利用大型压铸机将多个独立、分散零件的复杂构件进行高度集成，实现一次压铸成型，这一技术最早由特斯拉提出的“一体压铸”概念得到了实现。一体化压铸技术的运用能大幅降低零件数量，节省部件焊接工艺，达到降低车身重量、降低生产成本和节能减排的效果。

一体化压铸技术主要运用在汽车制造领域，是未来汽车车身制造技术的重要发展趋势。2019年，特斯拉正式提出“一体压铸”概念，并于2020年率先完成在车身制造上应用这一技术，其中，通过采用一体化压铸的方式，Model Y车型的后底板总成系统成功实现快速铸型，并在后底板上增加前纵梁的一体化压铸，将前后底板的零部件数量从171个减少至2个，焊点数量减少了1 600多个。2022年，第三代4680电芯采用一体化压铸的三合一底盘电池包，实现了10%的减重，减少了300余个零部件[8]。相比传统方式，车身系统节省重量超10%。另外，得益于一体化压铸技术，使得车辆续航增加14%，成本降低40%。如此可见，这一技术逐渐推动汽车制造业的可持续发展，其应用前景广阔。

一体化压铸技术正逐渐改变汽车制造行业的传统生产模式，成为未来汽车制造的重要发展方向，这种新型制造技术将为汽车制造业带来革命性的变革。随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，一体化压铸技术将在未来的汽车制造行业中发挥出重要的作用，推动汽车制造业的可持续发展。

33 辊冲复合成形技术

辊冲复合成形（链模成形）是一种新型新能源汽车轻量化的金属成形技术，于2020年由孙勇博士研究团队提出。该技术兼具了辊压和冲压的相关工艺成形优势，拥有节约能源、降低成本和提高效率等优势，特别有效地解决了我国铝合金新能源汽车零部件难成形的问题。目前，在新能源汽车、建筑、电子以及轨道交通等行业中，辊冲复合成形技术是轻量化、变截面零部件的最有前景的成形技术之一[9]。

辊冲复合成形技术已经从研发阶段迈向了产业化制造阶段，并被列入了我国“十四五”规划中重点发展的新能源汽车轻量化精密成形技术之一。很多大型钢铁企业已经成功使用辊冲复合成形技术制造出具有某些特定的超高强钢变截面新能源汽车精密零部件样品，并且初步探索出变截面成形过程的特点[9]。成型后的零部件避免了传统冲压工艺和辊压成形工艺成形零件的常见问题，如无法成形变截面，冲压成形的载荷大，模具磨损严重，材料易开裂等。辊冲复合成形技术的提出不仅很好地解决了我国新能源汽车关键结构件精密成形制造领域发展的相关“卡脖子”问题，而且符合新能源汽车产业绿色低碳的发展趋势。

与传统制造工艺相比，这项技术兼具辊压工艺和冲压工艺优势，并且可以有效解决当前我国铝合金新能源汽车零部件难成形的问题。预计在未来发展中，辊冲复合成形技术在新材料的应用、工厂的自动化生产和环境保护等方面有很大的潜力和市场。

4 结语

由于新材料与新技术具有良好的使用性能，而且成本更低，具备环保性，能够实现车辆的轻量化设计与低碳设计，满足汽车行业的发展需要。在新能源汽车制造方面，汽车企业需要转变理念，积极探索汽车节能减排新材料、新技术，引入与采用新兴材料与技术，以达到汽车低能耗和低碳方面更为完整，努力形成整个新能源汽车生态周期的低能耗、低碳。本文从新型环保低碳材料与新型环保制造技术对其应用进行研究，以期促进我国新能源汽车产业的快速、健康和持续发展。

参考文献：

[1]孟征，孙兆懿，贺芳，等高光免喷涂ABS/PMMA合金研究进展[J]工程塑料应用，2016，44（2）：134-139

[2]环保材料中的“颜值帝”——免喷涂材料[J]环球聚氨酯，2018（2）：78-79

[3]张友根基于新常态战略的汽车塑料工程绿塑创新驱动的分析研究［J］机械技术与装备，2015（42）：20－49

[4]刘倩倩免喷涂汽车侧踏板端头的研究应用［J］汽车零部件，2018（8）：64-65

[5]马正伟商用车外观覆盖件PDCPD材料的应用探究[J]山东化工，2023，52（12）：69-71

[6]景旋，王余伟，夏峰伟，等PETG共聚酯的合成及性能研究[J]合成技术及应用，2023，38（2）：39-43

[7]卢海洲，罗炫，陈涛，等4D打印技术的研究进展[J]航空材料学报，2019，39（2）：1-9

[8]乔侠，杨磊，刘双勇一体化压铸技术发展与应用研究[J]汽车工艺师，2023（8）：30-33+52

[9]孙勇，吴本钊，张东星，等辊冲复合成形研究现状[J]塑性工程学报，2022，29（11）：67-84

作者简介：

李娇杰，女，1997年生，硕士研究生，研究方向为工业设计。

袁新林（通讯作者），男，1971年生，教授，研究方向为工业设计。