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纳米复合材料在汽车工业中的应用

纳米技术在过去十几年已引起人们极大的兴趣,纳米材料作为纳米技术的一个分支领域,也获得了广泛的研究,并导致了新材料的发展、生产和商业化。汽车工业正是纳米复合材料的众多应用领域之一,纳米复合材料的零部件正在汽车工业中得到应用。

(一)综合研究

纳米复合材料被定义为在固体基体(通常是聚合物)中含有纳米级填充物,这些填充物被称为纳米物质(如纳米颗粒、纳米管、纳米纤维等)。纳米物质是汽车制造业中纳米复合材料部件的基础。

1、纳米物质的特征

①增加了颗粒和它周围环境的接触面积,加剧了颗粒和周围基体之间的相互作用,提高了材料的力学、化学和热学性能(1g25nm大小的颗粒具有20m2的表面积)。

②透明性:当颗粒粒径小于30nm时,可见光的反射可以忽略不计。

2、纳米材料的获取途径

一是从上至下的途径,其特点在于从“大”开始使其变“小”,例如在半导体工业中采用的方法;另一种从下至上的途径,其特点在于将原子或分子组装为物质,如化学工业采用的方法。

3、纳米材料产品在汽车工业中各种不同功能的应用:

①用于制备微粒过滤器中的燃料催化剂载体以防止烟雾;

②纳米颗粒增强的轮胎具有更好的耐磨性和透气性;

③用于汽车涂层,显示了极好的防刮擦性能,提高表面光泽;

④用于头灯和挡风玻璃的高亲水性防雾涂层,形成水膜而不是水滴;

⑤用于具有力学性能更好而重量更轻的结构塑料零部件。

(二)具体应用

1、纳米粘土是汽车零部件中用得最多的纳米物质。

在2002年,通用汽车公司是第一家生产出填充有纳米粘土的汽车零部件的汽车制造商。雪佛兰Astro和Safari货车的辅助台阶用填充3%纳米粘土的热塑性烯烃制得,与采用传统滑石粉填充物相比,更轻、刚性更好、低温不脆。尽管该应用吸引了很大关注,但现在已经停止。2004-2005年发布的雪佛兰IMPALA车身边上一个装饰物由纳米粘土制得,这个重新设计的部件节约了3~25%的重量,但性能遭到质疑。2005年,每一辆通用HammerH2SUT货车的货架装饰物中含有3公斤的纳米粘土。

其他纳米粘土在汽车上的商业化应用实例有:Maserati引擎隔间盖用Ube的尼龙-6纳米复合材料制得,纳米粘土占有2%的重量比例;戴姆勒克莱斯勒用含有纳米填料和传统填料的PolykemiAB聚丙烯制造SmartForfour车的门内手柄;奥迪和Putsch公司用填充纳米粘土的PP/PS代替涂漆的ABS开发了A3的加热口,纳米粘土使60~80%的PP与20~40%的PS相容,提高了抗刮擦性能,带来豪华的表面感觉。

2、碳纳米管是更新的产品(在1991年发现),由于具有非常高的力学强度(比蜘蛛丝还强)和高电导率,因此具有非常高的商业潜力。

雷诺汽车曾在前挡板中采用纳米管来增强PP/PPE合金。碳纳米管取代了挡板中的炭黑,用于静电喷漆中。然而由于费用的原因这个项目已经停止。燃料输送管道也是碳纳米管纳米复合材料的一种应用。

(三)主要问题

纳米材料减轻了重量,增加了力学性能,改善了表面及外观状况。但当前只有少量纳米科技产品被整合到汽车应用之中,这主要是因为:

1)要将填料很好的分散并分布在基体中,必须对纳米物质进行功能化处理。这种功能化处理和与基体相容的能力是一种非常独特的技术,只有少数几个公司掌握。

2)纳米物质非常昂贵,其附加值往往不足以平衡其成本。

3)添加纳米填料往往需要重新考虑零部件设计以及工艺技术(新模具,改变的流变性能等),这也需要在零部件的费用计算中重新考虑。

4)必须考虑纳米的毒性以及再回收问题。

纳米复合材料在汽车市场中不断发展,但是考虑到费用和性能,纳米物质带来的有竞争力的优势还有待进一步确认,当前工艺技术还需更好的发展和改进,需要重新考虑包括零部件设计在内的整个工艺体系。

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