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納米復合材料在汽車工業中的應用

納米技術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的一個分支領域,也獲得了廣泛的研究,并導致了新材料的發展、生產和商業化。汽車工業正是納米復合材料的眾多應用領域之一,納米復合材料的零部件正在汽車工業中得到應用。

(一)綜合研究

納米復合材料被定義為在固體基體(通常是聚合物)中含有納米級填充物,這些填充物被稱為納米物質(如納米顆粒、納米管、納米纖維等)。納米物質是汽車制造業中納米復合材料部件的基礎。

1、納米物質的特征

①增加了顆粒和它周圍環境的接觸面積,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、化學和熱學性能(1g25nm大小的顆粒具有20m2的表面積)。

②透明性:當顆粒粒徑小于30nm時,可見光的反射可以忽略不計。

2、納米材料的獲取途徑

一是從上至下的途徑,其特點在于從“大”開始使其變“小”,例如在半導體工業中采用的方法;另一種從下至上的途徑,其特點在于將原子或分子組裝為物質,如化學工業采用的方法。

3、納米材料產品在汽車工業中各種不同功能的應用:

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用于具有力學性能更好而重量更輕的結構塑料零部件。

(二)具體應用

1、納米粘土是汽車零部件中用得最多的納米物質。

在2002年,通用汽車公司是第一家生產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貨車的輔助臺階用填充3%納米粘土的熱塑性烯烴制得,與采用傳統滑石粉填充物相比,更輕、剛性更好、低溫不脆。盡管該應用吸引了很大關注,但現在已經停止。2004-2005年發布的雪佛蘭IMPALA車身邊上一個裝飾物由納米粘土制得,這個重新設計的部件節約了3~25%的重量,但性能遭到質疑。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化應用實例有:Maserati引擎隔間蓋用Ube的尼龍-6納米復合材料制得,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填料的PolykemiAB聚丙烯制造SmartForfour車的門內手柄;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品(在1991年發現),由于具有非常高的力學強度(比蜘蛛絲還強)和高電導率,因此具有非常高的商業潛力。

雷諾汽車曾在前擋板中采用納米管來增強PP/PPE合金。碳納米管取代了擋板中的炭黑,用于靜電噴漆中。然而由于費用的原因這個項目已經停止。燃料輸送管道也是碳納米管納米復合材料的一種應用。

(三)主要問題

納米材料減輕了重量,增加了力學性能,改善了表面及外觀狀況。但當前只有少量納米科技產品被整合到汽車應用之中,這主要是因為:

1)要將填料很好的分散并分布在基體中,必須對納米物質進行功能化處理。這種功能化處理和與基體相容的能力是一種非常獨特的技術,只有少數幾個公司掌握。

2)納米物質非常昂貴,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計以及工藝技術(新模具,改變的流變性能等),這也需要在零部件的費用計算中重新考慮。

4)必須考慮納米的毒性以及再回收問題。

納米復合材料在汽車市場中不斷發展,但是考慮到費用和性能,納米物質帶來的有競爭力的優勢還有待進一步確認,當前工藝技術還需更好的發展和改進,需要重新考慮包括零部件設計在內的整個工藝體系。

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