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“双碳”目标下,汽车生物基材料应用发展趋势分析

双碳目标下,供应链领域实现碳减排的关键在于采用新技术、新材料、新工艺,从汽车零部件的开发设计到研究试制,从批量生产到原材料选用,几乎各个环节都可以深入挖掘潜力,减少碳排放。因此,新型材料在汽车上的应用,对于汽车产业的发展意义重大。


目前,汽车车身用材料大致可分为两大类,第一类是金属材料,包括钢板、铸铁等重金属材料,以及铝、镁、钛等轻金属及其合金材料、泡沫金属等材料;第二类是非金属材料,包括工程塑料、纤维、树脂、玻璃、橡胶、非金属泡沫材料、非金属复合材料等。随着汽车技术的发展,复合材料和纳米材料将会在未来汽车材料中广泛应用。




在全球节能与环保的大势所趋下,汽车材料的使用围绕着轻量化、更环保、低VOC、更健康、更舒适等方向发展。


汽车产业在经过了多年高速增长后,正进入产业转型和技术升级的新时期。在“双积分”法规以及新能源汽车产业政策的双重驱动下,车用材料也迎来了新的发展机遇。传统以钢为主的汽车用材结构,正向钢铝混合、全铝车身、塑料复合材料和镁合金等多材料混合应用的趋势发展。


番茄、蛋壳、大豆,这些东西看起来与被称作是“钢铁之躯”的汽车风马牛不相及,但汽车制造商、零部件厂商、材料厂商正在将越来越多的生物材料引入汽车制造业。实际上,福特早在上世纪20年代起就致力于生物材料的使用,当时亨利·福特就在T型车上使用了麦草。此后,大豆材质的泡沫、密封件、垫圈,蓖麻材质的泡沫、塑料及天然纤维增强材料均开始被福特及其他车企使用。


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生物基材料是指以可再生资源(如农作物、废弃物、树木、其他植物及其残体和内含物等)为原料,通过生物合成、生物加工、生物炼制过程获得的生物质合成材料、生物质再生材料和基础化工原料。


相比于传统的石油基材料,生物基材料具有降低原料成本等优势,因此,生物基材料正成为未来汽车材料发展的一大趋势。近几年来,各大汽车巨头以及原材料供应商也纷纷针对汽车巿场,定向专业地开发用于汽车加工的生物基材料汽车零部件,为汽生态汽车理念注入新的活力。


生物基材料在汽车上的应用方式主要分为三种:


一是生物基材料传统应用,如木质内饰、棉纺织品和皮革座椅等;


二是生物基原材料加工成聚合物,该生物基聚合物具有与传统石油基塑料相类似的性能;


三是生物基材料作为增强材料或填充材料与树脂制备成复合材料。


生物基材料的传统应用主要是指直接应用生物基原材料而无需复杂的生物合成或化学合成作用。如利用木材制备汽车实木面板,利用天然橡胶制备汽车轮胎、油管以及传动带等,利用动植物油制备齿轮润滑油和车身涂料,利用棉花制备汽车棉纺制品内饰,利用动物的皮毛制备汽车皮革内饰等。原料来源可再生,能够完全降解,而且在使用过程中对人体无毒无害,属于比较理想的汽车用材料。

制造商Flexform Technologies釆用树脂喷涂非织造麻纤维的毡状垫,然后在模具中压制成适当的形状,如汽车车门内板。他们还创造了一种由韧皮纤维和聚合物纤维混合的无纺布垫,将该垫加热并模塑成型,可以用于汽车内饰件,而且不需要使用任何树脂,材料质轻且坚固。


奔驰LX概念车使用从甘蔗渣中提取的纤维做原料,制造车身零件,经过适当的处理,甘蔗纤维车身结构具有一定的刚度和耐久性,而且可生物降解,体现出保护和尊重自然环境的理念。

1. 新型生物材料不断涌现

美国俄亥俄州立大学教授卡特里娜·科尼什曾在美国农业部工作过,年轻时遇到的一件事给她留下了深刻印象。


当时她看到一辆卡车装载着刚摘下来的满车番茄从农场运出来,与大多数人关注点不同的是,她瞬间意识到,放在最下层的番茄能承受那么大的压力,那么番茄皮一定非常结实。


25年过去了,科尼什现在成了一名替代天然橡胶、橡胶生物合成领域的国际权威专家。她始终没有忘记年轻时的那件事,并致力于研发更多生物材料。


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科尼什认为,番茄皮可以取代部分会造成环境污染的炭黑材料,可用在汽车悬架衬套、发动机支架、轮胎、软管和其他部件中。


同样,蛋壳也可以取代部分炭黑材料。科尼什要求企业把不用的工业废料垃圾袋送到她的实验室。经过筛选,她发现蛋壳磨成细粉也可以作为炭黑材料的增强剂。

目前,美国俄亥俄州立大学的研究人员,正与该国知名零部件供应商天纳克以及至少一家大型车企共同合作,测试橡胶部件中的番茄皮和蛋壳,希望未来这些材料能用于制造汽车零部件。


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事实上,意识到番茄皮用处的人并非只有科尼什。早在2014年,福特宣布与美国食品生产商亨氏合作,探讨利用番茄皮制造汽车零部件。亨氏的番茄酱名声在外,每年用到的番茄多达数百万吨。


亨氏研究人员一直在寻求番茄皮、茎、籽等加工副产品的再利用渠道。福特和亨氏希望通过研究,将番茄的加工副产品制成既轻又足够坚固,可满足车用需求的新型材料。例如,经过干燥处理的番茄皮等可用于制作车辆的布线支架和储物格。


此外,福特旗下的野马、金牛座、开拓者等多款车型的座椅采用了李尔开发的大豆发泡材料,这种发泡材料基于大豆油制造,性能优异。


福特在2013年洛杉矶车展上展示了Fusion Energi插电式混合动力车,其座椅靠背、弹性坐垫、座椅头枕、门板内嵌等部件采用了可口可乐开发的植物性可回收材料,而这种材料的原料之一就是甘蔗制糖过程中剩余的植物纤维。


目前,科尼什和其他数千名化学家,以及各个国家实验室、零部件供应商和汽车制造商的实验室材料科学研究人员,正在从分子水平上对汽车制造进行重新思考。这正是天纳克首席技术官本·帕特尔所声称的席卷汽车行业“材料科学革命”的一部分。

2. “新四化”带来材料新变革

一直以来,轻量化、燃油经济性、节能减排以及对更环保的可回收零部件的追求,推动着汽车零部件的变革。不过,以“新四化”(电动化、智能化、网联化、共享化)为代表的未来移动出行方式使得供应商们开始重新改造汽车零部件,日益增加的汽车使用强度对零部件的耐久性提出更高要求。

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供应商已经在为此做准备。一些供应商考虑的目标是,制造出能承受每年10万英里使用强度的汽车零部件,并实现100万英里的预期寿命。


此外,随着网约车的出现,越来越多的私家车出现了使用率上升的情况。根据美国RideGuru拼车共享信息库的数据,一些优步和来福车的全职司机每周的拼车里程高达1000英里,每天有数十人乘坐一辆车,这让供应商不得不重新考虑座椅泡沫、门窗密封条、机械部件甚至油漆的磨损率问题。


电动化也是汽车行业的大趋势之一。“电动化在分子水平上给汽车带来了新的挑战。”天纳克全球性能材料工程执行董事罗德·哈迪表示。他还补充道:“未来,电动汽车将比内燃机汽车耐用得多,因此电动汽车上的零部件也必须同样耐用。”


另外,据天纳克全球弹性材料部门总经理史蒂夫·普尔曼介绍,在电动汽车中可以听到一些驱动系统的噪声,而这些噪声在燃油车中通常被发动机的声音所淹没。汽车制造商已经要求天纳克开发新的传动系统支架和悬架部件,以消除这些噪声。

3. 耐久性让材料迎成本挑战

未来的自动驾驶汽车的零部件寿命可能是现在汽车的10倍,但这些零部件的售价不可能是它们所替换零部件的10倍。事实上,不少供应商表示,汽车制造商根本不想多花一分钱。


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“计算成本是一个很复杂的问题。如果只看纯粹的部件成本,有些可能会更贵。不过,如果它改变了生产效率和复杂性呢?如果它减少了部分更细小零部件呢?如果它降低了维修成本呢?有很多不同的方法来计算成本。帕特尔说。


这将是一个复杂的计算问题,供应商引入由新材料制成的部件后,看起来可能比现有部件成本更高,但实际上可能更便宜。一些供应商正在研究如何在不大幅提价的情况下推出并交付下一代零部件。

比如:麦格纳的座椅部门几年前就已推出一种名为Freeform的座椅面套材料,要在共享汽车上推广使用。这种材料的成本略高于麦格纳目前使用的材料,但该公司计算发现,采用Freeform的成本与之前大致相同。


因为它大大简化了座椅的制造过程,取消了导引线、拱圈夹等部件,而这些东西通常用来将座椅和泡沫垫连接到座椅框架上。采用Freeform后,只是简单地拉开拉链,就可以快速清洗和更换座椅内饰。


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麦格纳座椅泡沫制造全球总监芮妮·肖文表示,Freeform是麦格纳首批反映分子水平创新的座椅产品之一。麦格纳预计,这种产品将在大约一年后投产。


“麦格纳所要做的是,对我们的化学体系在分子水平上进行大规模的改变。我们正在和我们的供应商打交道,并获得更高分子量的材料。这使我们能够提高最终产品的耐用性和性能,更适用于今天的汽车市场。肖文说。


当然,面临成本问题的新型材料也不在少数,有些生物基材料成本是石油基材料的3倍左右。如何降低成本,并达到车用需求,还要靠研究人员的进一步攻关。


以科尼什的研究为例,研究人员需要确保用磨碎的番茄皮和磨碎的蛋壳制成的发动机罩,至少要与使用橡胶炭黑材料制造的传统部件拥有一样的耐用性,且成本不会太高。


4. 零部件企业迎接新材料革命


就像汽车制造商为电动汽车、自动驾驶技术等投入巨资一样,零部件供应商在开发新产品时也面临巨额支出。美国零部件供应商库柏标准公司的业务包括车身密封、减震器、汽车专用紧固件、燃油输送系统等,该公司首席技术官克里斯·库奇表示,电动化已经席卷整个行业,虽然汽车制造商现在还没有要求他们提供寿命极长的零部件,但库柏标准公司认为这是迟早的事,并已经在为此做准备,研发预算不断增长,希望在材料科学方面取得进展。


当然,新材料的开发不是一蹴而就的。据库奇介绍,库柏标准公司花了5年时间成功开发出一种名为Fortrex的密封件,以此取代传统的橡胶密封条。Fortrex是一种高性能的弹性材料,重量较传统的密封材料轻30%,且抗磨损性能很好,可以提供更好的保护,抵御大自然的风雨侵蚀。


可以预想到的是,未来汽车将在各个方面发生变化,甚至包括涂料及镀膜加工。全球最大的汽车涂料供应商之一——艾仕得公司首席技术官巴里·斯奈德透露,该公司一直在加大研发支出,以及时应对汽车产业变革。


帕特尔认为,当今汽车行业创新的速度比历史上任何时候都要快,得益于互联网的快速发展,汽车业也正在经历一场新材料革命,会有更多人致力于开发新材料解决方案,让未来的汽车生活变得更智能、更美好。

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