人人都在減肥，汽車也急著瘦身……︱走近科學(xué)
本欄目由 “世界科學(xué)” 和 “賽先生”聯(lián)合出品
撰文 | 梁偲
汽車曾被稱為改變世界的機(jī)器，在其誕生的100多年里，世界格局發(fā)生了巨大的變化，為人類立下了不朽的功勛。從19世紀(jì)卡爾·本茨制造出的第一輛每小時18公里的三輪汽車，到現(xiàn)在百公里加速只需要1.9秒的超級跑車，這100多年里，汽車的發(fā)展速度是如此驚人！
卡爾·本茨和世界上第一輛汽車
特斯拉新一代Roadster跑車，百公里加速只需1.9秒
可以說，特斯拉在百公里加速的排行榜上已經(jīng)揚(yáng)名立萬，那么，這樣“可以飛向宇宙”的速度是如何實現(xiàn)的？
除了強(qiáng)大的動力系統(tǒng)、流線車身的阻力小以外，具有超輕的車體結(jié)構(gòu)也必定是一個重要因素。對于追求速度的跑車來說，減重相當(dāng)于提升了發(fā)動機(jī)動力，百公里加速時間縮短，剎車距離也縮短——變相地提高了安全性。
因此，為了提高速度，車體的超輕量化成為各大跑車制造商追求的目標(biāo)，但是，對于汽車行業(yè)，你以為輕量化只是單純地為了提高速度嗎？事實上，給汽車減重意義非凡！
輕量化的意義
——節(jié)能減排、提高續(xù)航力
目前，隨著汽車總量的不斷攀升，其帶來的環(huán)境問題也逐漸凸顯：一是能源消耗，汽車擁有量的快速增加造成了巨大的能源壓力；二是尾氣排放，大氣污染物中，39%的一氧化碳、74.8%的碳?xì)浠衔铩?6.2%的氮氧化物來自機(jī)動車的尾氣。
面對汽車快速增加帶來的能源壓力和尾氣排放問題，節(jié)能減排工作已經(jīng)十分迫切，而輕量化是汽車節(jié)能減排的重要途徑。
對于傳統(tǒng)汽車，車輛每減重10%，油耗下降6%～8%，即車輛每減重100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L，二氧化碳排放可減少約8.5g/km。
對于新能源汽車來說，輕量化也意義重大，因為電動車減重10%，其續(xù)航能力就可以增加5%～8%。
當(dāng)然，汽車輕量化不只是單純地為了減少自重，而是在保證結(jié)構(gòu)和性能（特別是安全性）不受影響的情況下，選用相對較輕的材料，達(dá)到節(jié)能減排和提高續(xù)航力的目的。
塑料成為輕量化的優(yōu)選材料
如今，汽車輕量化成為汽車行業(yè)研發(fā)的主流方向。硬度強(qiáng)、質(zhì)量輕的材料成為首選，目前應(yīng)用得較多的輕質(zhì)材料包括鋁合金、鎂合金、碳纖維復(fù)合材料和塑料等。鋁鎂合金零部件相對鋼制零部件可以減重30%～55%，碳纖維復(fù)合材料零部件相可以減重40%～60%。但是，由于成本的原因，目前這些材料還是更多地用在跑車或者高端車上，如上述提到特斯拉跑車，其車身就是用碳纖維復(fù)合材料打造的。
而將塑料用于汽車上，這與大多數(shù)人對于汽車的感覺——炫酷、金屬質(zhì)感、重量、堅硬——相去甚遠(yuǎn)。但是，塑料憑借其密度小、質(zhì)量輕、且不影響汽車的安全性等優(yōu)勢而受到青睞（塑料的密度為0.9～1.6，鋼為7.6，鋁為2.7，纖維復(fù)合材料～2）。
除了輕，塑料的其他特征也完全符合汽車的發(fā)展趨勢：能夠?qū)?qiáng)烈撞擊產(chǎn)生較大緩沖，保護(hù)駕駛者和行人；易成型加工，可大批量生產(chǎn)；能吸振降噪，提高乘坐舒適度；成本還低。目前，一些車型的塑料用量可達(dá)整車用料的1/3，廣泛應(yīng)用于汽車的各種零部件。
聚丙烯由于其剛性好、耐銹蝕/腐蝕性優(yōu)異、設(shè)計自由度大、易于成型加工，以及是最輕的通用塑料（通用也意味著便宜），目前，已成為汽車用量最大的塑料品種。
塑料在汽車零部件的應(yīng)用
塑料的高強(qiáng)度和高韌性往往不可兼得
說到塑料在輕量化上的應(yīng)用，我們會想到“以塑代鋼”“制件薄壁化”?！耙运艽摗币笏芰系膹?qiáng)度能與鋼鐵PK，在強(qiáng)大外力作用下能毫發(fā)無傷；“薄壁化”不是簡單地要求塑料薄，而是在“薄如紙”的基礎(chǔ)上還堅如磐、韌如絲，對大家眼中柔弱的塑料來說，挑戰(zhàn)性是不是有點大？
此外，對于塑料而言，其高溫熔融流動性是衡量成型加工難易的一項指標(biāo)，流動性好，才能獲得大型薄壁和復(fù)雜的制件。
不過，通常高強(qiáng)度、高韌性、高流動性卻總是魚與熊掌不可兼得。一般的方法，韌性提高了，強(qiáng)度立刻下降；強(qiáng)度提高了，韌性和流動性又明顯下降。就像蹺蹺板一樣，永遠(yuǎn)是一邊高、一邊低。
事實上，高性能聚丙烯專用材料長期依賴進(jìn)口。因此，如何才能使高強(qiáng)度、高韌性和高流動性達(dá)到有效均衡，已成為學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界攻關(guān)的技術(shù)難題。
從原材料到應(yīng)用——配方創(chuàng)新
結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新三步走
如同一盤好菜要色、香、味俱全，需要從很多方面入手。新材料從開發(fā)到應(yīng)用成功，原材料的性能（原料是否具有高性能）、制件的結(jié)構(gòu)（汽車部件的形狀）、加工工藝是成功的三個關(guān)鍵。
這方面，國內(nèi)新材料的研發(fā)，尤其是工程塑料研發(fā)的領(lǐng)跑者杰事杰集團(tuán)幾近20年的探索努力，聯(lián)合產(chǎn)學(xué)研用各方單位，通過“三步走”的方式——配方創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新——分別對性能、結(jié)構(gòu)、工藝進(jìn)行提升，實現(xiàn)了創(chuàng)新材料技術(shù)研發(fā)及在汽車輕量化上的應(yīng)用，該項創(chuàng)新成果不僅獲得了2017年上?？萍歼M(jìn)步一等獎殊榮，而且實實在在地服務(wù)于汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
楊桂生領(lǐng)銜的團(tuán)隊獲得2017年上海科技進(jìn)步一等獎
第一步：配方創(chuàng)新——新配方“炒出”新味道就像炒菜一樣，加入不同的調(diào)料就能炒出新味道。
將無機(jī)粒子（如滑石粉）、彈性體A、彈性體B、聚丙烯混合均勻，“倒入”擠出機(jī)中“炒一炒”，在各種料充分融合過程中，就形成了“核-殼-殼”結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)了材料的高強(qiáng)度和高韌性。之后“大廚師”又開發(fā)了新“調(diào)料”——特殊的超支化彈性體，解決了高流動性問題。這樣，“核-殼-殼模型+超支化彈性體”炒出了高性能的聚丙烯材料——高強(qiáng)度、高韌性、高流動性。
核-殼-殼結(jié)構(gòu)模型
第二步：結(jié)構(gòu)創(chuàng)新——計算機(jī)仿真模擬汽車制件的
結(jié)構(gòu)模仿容易，創(chuàng)新卻很難；一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制件加工也有很大難度。那么什么樣的制件結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮材料的最大性能并實現(xiàn)加工呢？傳統(tǒng)的方法是反反復(fù)復(fù)做試驗，不僅浪費材料，也增加時間和成本。怎樣才能最短時間、最低成本、高準(zhǔn)確度地完成結(jié)構(gòu)設(shè)計呢？答案是：計算機(jī)仿真模擬。
楊桂生團(tuán)隊利用工程塑料計算機(jī)輔助工程開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)出了適合超強(qiáng)超韌材料的分析和仿真計算方法，使仿真準(zhǔn)確率達(dá)到99.9%，開發(fā)周期縮短60% ，填補(bǔ)了該技術(shù)領(lǐng)域的國內(nèi)空白。
第三步：工藝創(chuàng)新——材料性能更可控
好火候讓菜更香，好工藝讓材料性能更可控。通過調(diào)控加工溫度、加工時間和剪切場等，能有效調(diào)控材料流動的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和韌性。只有掌握好“火候”，才能使制件在保證性能的前提下，實現(xiàn)壁厚的進(jìn)一步減薄。
應(yīng)用——已廣泛用于寶馬
福特、大眾、江淮等
研發(fā)出的聚丙烯材料的性能優(yōu)于國際同類產(chǎn)品，已經(jīng)實現(xiàn)汽車零部件以塑代鋼和薄壁化，廣泛應(yīng)用于汽車的保險杠、門板、立柱、新能源汽車電池包等。
最直接、最重要的作用是減重
在以塑代鋼方面，可以用塑料代替一直以來只能用金屬制備的部件。例如，用塑料代替了新能源汽車蓄電池上蓋的鈑金件，減重70%。這是國內(nèi)外首次成功將聚丙烯材料應(yīng)用于蓄電池上蓋，也是迄今為止汽車上最大的注塑件。
在汽車零部件薄壁化方面，零部件的厚度可由原來的3mm 減至1.8～2.5mm，減重20～40%。
減重效果好不好，直接看數(shù)據(jù)：
各種車型減重效果
可見，使用高性能聚丙烯材料后，零部件的減重20%～70%不等，極大地促進(jìn)了汽車的輕量化。
汽車內(nèi)承載門板，以塑代鋼，減重30%
打破國外壟斷、出口國外打破了國外對高性能車用塑料的壟斷，實現(xiàn)了汽車關(guān)鍵薄壁化零部件原材料的國產(chǎn)化，性價比也遠(yuǎn)高于國外同類產(chǎn)品（如日本三菱、荷蘭利安德巴塞爾等）。
目前，采用高性能聚丙烯材料制造的汽車零部件，已累計裝配汽車4000萬余輛，減排500多萬噸。該材料已出口美國、德國、西班牙、日本、新加坡等十多個國家，且出口量逐年遞增。
前景展望
面對汽車油耗壓力的增大和新能源汽車?yán)m(xù)航里程的短板，無論從傳統(tǒng)汽車的節(jié)能減排還是新能源汽車增加續(xù)航的發(fā)展趨勢看，輕量化都將成為汽車產(chǎn)品的重要標(biāo)簽。
中國汽車輕量化的技術(shù)發(fā)展路線是：實現(xiàn)到2020年整車減重15％、2025年減重20%、2030年減重35%的輕量化目標(biāo)。未來，汽車輕量化將更大比例地應(yīng)用鋁鎂合金、碳纖維復(fù)合材料等來實現(xiàn)輕量化。
杰事杰集團(tuán)長期專注于“材料解決方案”及“材料再定義”、以新材料開發(fā)來驅(qū)動輕量化的發(fā)展：未來會將更多的塑料應(yīng)用到更多的部件上——從最初的保險杠、立柱、新能源蓄電池上蓋的應(yīng)用擴(kuò)展到引擎蓋、后門、后尾門等，甚至應(yīng)用到車身和底盤上；開發(fā)綠色材料、可用于新能源汽車車身和底盤的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。
奔馳EQSilver Arrow概念車的車身為碳纖維復(fù)合材料打造，純電驅(qū)動，最大續(xù)航里程 400 公里
Olli是IBM與洛克汽車公司合作打造的一款自動駕駛車輛，其車身就是使用碳纖維復(fù)合材料，并且是由3D打印制造的
輕量化不是純粹減重，而是在完善和提高汽車綜合性能的基礎(chǔ)上，盡可能降低車身重量，實現(xiàn)質(zhì)量降低、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、安全性能提高和成本降低的有機(jī)結(jié)合。當(dāng)汽車遇見了塑料，猶如換上一身便裝，期待未來的汽車能徹底甩掉多余的“贅肉”，做個輕便而靈活的“瘦子”！
“世界科學(xué)”聯(lián)合“賽先生”等微信公號，在上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助下，開辟“走近科學(xué)”欄目，對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進(jìn)行科普化報道。
本文圍繞2017年上海市科技進(jìn)步一等獎——“聚丙烯高性能化技術(shù)及其在汽車輕量化上的應(yīng)用”項目展開，該獎項由杰事杰集團(tuán)楊桂生團(tuán)隊聯(lián)合上海普利特、中科院化學(xué)所、江淮汽車及合肥杰事杰新材料股份有限公司共同獲得。
制版編輯|王樂佳
