納米技術(shù)在過去十幾年已引起人們極大的興趣,納米材料作為納米技術(shù)的一個(gè)分支領(lǐng)域,也獲得了廣泛的研究,并導(dǎo)致了新材料的發(fā)展、生產(chǎn)和商業(yè)化。汽車工業(yè)正是納米復(fù)合材料的眾多應(yīng)用領(lǐng)域之一,納米復(fù)合材料的零部件正在汽車工業(yè)中得到應(yīng)用,巨鑫公司將引進(jìn)最先進(jìn)的技術(shù),運(yùn)用于汽車行業(yè)中.
(一)綜合研究
納米復(fù)合材料被定義為在固體基體(通常是聚合物)中含有納米級(jí)填充物,這些填充物被稱為納米物質(zhì)(如納米顆粒、納米管、納米纖維等)。納米物質(zhì)是汽車制造業(yè)中納米復(fù)合材料部件的基礎(chǔ)。
1、納米物質(zhì)的特征
①增加了顆粒和它周圍環(huán)境的接觸面積,加劇了顆粒和周圍基體之間的相互作用,提高了材料的力學(xué)、化學(xué)和熱學(xué)性能(1g25nm大小的顆粒具有20m2的表面積)。
②透明性:當(dāng)顆粒粒徑小于30nm時(shí),可見光的反射可以忽略不計(jì)。
2、納米材料的獲取途徑
一是從上至下的途徑,其特點(diǎn)在于從“大”開始使其變“小”,例如在半導(dǎo)體工業(yè)中采用的方法;另一種從下至上的途徑,其特點(diǎn)在于將原子或分子組裝為物質(zhì),如化學(xué)工業(yè)采用的方法。
3、納米材料產(chǎn)品在汽車工業(yè)中各種不同功能的應(yīng)用:
①用于制備微粒過濾器中的燃料催化劑載體以防止煙霧;
②納米顆粒增強(qiáng)的輪胎具有更好的耐磨性和透氣性;
③用于汽車涂層,顯示了極好的防刮擦性能,提高表面光澤;
④用于頭燈和擋風(fēng)玻璃的高親水性防霧涂層,形成水膜而不是水滴;
⑤用于具有力學(xué)性能更好而重量更輕的結(jié)構(gòu)塑料零部件。
(二)具體應(yīng)用
1、納米粘土是汽車零部件中用得最多的納米物質(zhì)。
在2002年,通用汽車公司是第一家生產(chǎn)出填充有納米粘土的汽車零部件的汽車制造商。雪佛蘭Astro和Safari貨車的輔助臺(tái)階用填充3%納米粘土的熱塑性烯烴制得,與采用傳統(tǒng)滑石粉填充物相比,更輕、剛性更好、低溫不脆。盡管該應(yīng)用吸引了很大關(guān)注,但現(xiàn)在已經(jīng)停止。2004-2005年發(fā)布的雪佛蘭IMPALA車身邊上一個(gè)裝飾物由納米粘土制得,這個(gè)重新設(shè)計(jì)的部件節(jié)約了3~25%的重量,但性能遭到質(zhì)疑。2005年,每一輛通用HammerH2SUT貨車的貨架裝飾物中含有3公斤的納米粘土。
其他納米粘土在汽車上的商業(yè)化應(yīng)用實(shí)例有:Maserati引擎隔間蓋用Ube的尼龍-6納米復(fù)合材料制得,納米粘土占有2%的重量比例;戴姆勒克萊斯勒用含有納米填料和傳統(tǒng)填料的PolykemiAB聚丙烯制造SmartForfour車的門內(nèi)手柄;奧迪和Putsch公司用填充納米粘土的PP/PS代替涂漆的ABS開發(fā)了A3的加熱口,納米粘土使60~80%的PP與20~40%的PS相容,提高了抗刮擦性能,帶來豪華的表面感覺。
2、碳納米管是更新的產(chǎn)品(在1991年發(fā)現(xiàn)),由于具有非常高的力學(xué)強(qiáng)度(比蜘蛛絲還強(qiáng))和高電導(dǎo)率,因此具有非常高的商業(yè)潛力。
雷諾汽車曾在前擋板中采用納米管來增強(qiáng)PP/PPE合金。碳納米管取代了擋板中的炭黑,用于靜電噴漆中。然而由于費(fèi)用的原因這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)停止。燃料輸送管道也是碳納米管納米復(fù)合材料的一種應(yīng)用。
(三)主要問題
納米材料減輕了重量,增加了力學(xué)性能,改善了表面及外觀狀況。但當(dāng)前只有少量納米科技產(chǎn)品被整合到汽車應(yīng)用之中,這主要是因?yàn)椋?/p>
1)要將填料很好的分散并分布在基體中,必須對(duì)納米物質(zhì)進(jìn)行功能化處理。這種功能化處理和與基體相容的能力是一種非常獨(dú)特的技術(shù),只有少數(shù)幾個(gè)公司掌握。
2)納米物質(zhì)非常昂貴,其附加值往往不足以平衡其成本。
3)添加納米填料往往需要重新考慮零部件設(shè)計(jì)以及工藝技術(shù)(新模具,改變的流變性能等),這也需要在零部件的費(fèi)用計(jì)算中重新考慮。
4)必須考慮納米的毒性以及再回收問題。
納米復(fù)合材料在汽車市場(chǎng)中不斷發(fā)展,但是考慮到費(fèi)用和性能,納米物質(zhì)帶來的有競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)還有待進(jìn)一步確認(rèn),當(dāng)前工藝技術(shù)還需更好的發(fā)展和改進(jìn),需要重新考慮包括零部件設(shè)計(jì)在內(nèi)的整個(gè)工藝體系。