【汽车与环境】国家“千人计划”特聘专家朱强:汽车新材料技术发展

盖世汽车综合 2017-12-9 11:59:08

核心提示:2017年汽车与环境创新论坛-盖世直播!

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南方科技大学讲座教授、国家“千人计划”特聘专家 朱强

南方科技大学大家可能不太了解,只有不到7年的时间,这个大学是公立的,深圳市政府出的钱,计划大学8000个学生,800个老师,1/3是“千人计划”,这个学校更多的是掺杂了国际性大学,国际化走的最前沿的一个大学。

我一生当中拿到证书的,最激动的证书不是拿到博士职位,是拿到驾驶执照,90年代的时候拿到汽车执照非常的激动,人家一看刚出国没有几年怎么就买车了。后来我到德国做博士学位的时候,专门跟奥迪做铝合金开发,A8,当时专门做这个,到英国工作的时候做汽车板材的杂志,到了汽车企业,做柴油发动机的,我在那儿工作8年,专门做柴油发动机方面的,我本人做材料的,对汽车的热爱,如果没有做汽车的人,我会说很懂汽车,特别是发动机,在这儿不敢说了,因为我做材料的。曾经自认为我在汽车行业里面是最懂材料的之一。从另外方面里面来说我是最懂发动机材料的专家之一,都做的不好,往别人不懂的地方跨。

今天是我的一些体会,汽车里面材料的发展,这个不多讲了,各位都比我清楚,为什么要做轻量化?主要是汽车的发展和汽车节能减排的重要性,节能减排各位专家已经说了,节能对于国家安全的问题,不单单排放,对国家安全的问题,石油如果超过50%进口,超过了国家的警戒线,目前为止大概60%都是石油进口,今天石油用的越来越多,是国家战略的问题,必须节能。减排不用说了,很多人谈到排放,我在康明斯的时候做了O4、O5、O6,做了很多的工作。

各种节能减排的方法,有一个公式,关于节能减排从几个方面考虑:

滚动阻力;坡度阻力;加速阻力;空气阻力,不同的阻力当中有三个跟质量有关系,质量越轻越节能,节能潜在的比较,最有效的是汽车轻量化,因为汽车轻量化不单可以节能减排,还可以带来一些其他的优势,我做报告的时候也说这个问题,我采取的数据对我有利的,可能别人有别人的数据,无论如何节能减排是非常有效的办法。

总结了一下国际上不同车的体验,降低排放所能够达到的百分比以及跟它们减重目标的关系,节能减排的轻量化有三个技术,一个用什么材料,用铝合金来取代钢,大概降了60%左右。用什么材料是一个很有效的办法。

第二,怎么样来制造技术?同样的材料可以用好的制造技术减轻重量,比如说给一些细节,用什么材料,整个轻量化的技术,比如说连接技术等。

第三,结构优化怎么做?今天主要给大家汇报很小的一块,怎么用铝合金?轻量化结构设计这一块,我们主要做3D打印,3D打印现在在汽车上用的比较慢,主要有两个原因,汽车大批量生产,3D打印更适合于个性化,3D打印可能对质量控制的稳定性,可能现在还有一些问题,在汽车上用的不多,在飞机航空上用的很多。3D打印为什么有好处呢?不是今天讲的重点,它可以实现自由设计,因为我们的汽车制造,从空气动力学来说有很多理念想实现,但是从力学和材料角度来说实现不了,因为我做不出来。3D打印可以实现你想要的设计理念,从这个角度来说它很有前途的。

目前为止汽车主要还是用了钢,对于汽车来说有两个,一个是强度,大家经常谈到强度,实际上在汽车里面一些结构件,不单单是强度的问题,还要它的寿命问题,西方国家做的高一些,我记得在英国做IF钢的时候,当时中国做不了,现在我们宝钢等很多企业都可以做了,中国钢的发展技术非常快,得到很多好的成果。

另外一个比较是高强钢,高强钢已经占到50%以上,现在轻量化一个很关键的地方,我怎么样用好的钢,用超级钢,用超强钢,刚才我们认为,我们国家的产量我们知道的最多,说一个笑话,全世界钢产量最高的地方是中国,50%左右。第二个是什么地方?河北,第三个在哪儿?在唐山,第四第五大概第七左右,我们知道是哪儿吗?是河北瞒报钢的产量,我回国以后在科技部当专家,专门抓了一个高品质特种钢的专项,有50多个亿,很多高级的钢我们国家生产不了,还是要进口,汽车上的钢材总体来说不是很高级,很多钢材还是进口的。钢材的研究角度来说,还有很大一块东西,我们国家有创新中心,北京科技大学有一个钢材创新中心。越往后越用高强钢,强度高了以后可以做更薄,或者更小了,重量减轻了。

我1990年做博士学位开始,就开始做汽车里面的铝合金,在欧洲用起来比较早,大批量用还是近几年,特别是95年以后,2005年以后增加,中国跟西方欧美国家相比,我们有一定的比重,有数据显示中国车里面的铝含量和欧美国家差不多了,铝合金用的越来越多,现在的铝合金主要还是用在一些非关键部件上,不能说是高级车,捷豹路虎,还有奥迪A8等等,他们差不多也是100%,或者是大部分用铝合金了。其他的大部分车用的铝合金,总体来说用在一些非关键件上。奥迪A8用的非常多了,大部分用铝合金了。

结构件,一个是覆盖件,铝板非常大,车用的不多,结构件用的越来越多,不同的铝合金,比如说5系和6系的合金,锻造、挤压、铸造,它们有各自的特点,这是一个电动大巴,在很多地方用铝合金,实际上这也是发展趋势,铝合金用的越来越多,从左边,我们往右走,铝合金越来越取代于一些关键的结构件。

镁合金实际上也是用的越来越多,镁合金用的原因,一个中国的产量特别大,中国在全世界最大的产量,中国对镁合金研究的特别多,特别是在前10几年的时候,有一些不可克服的缺点,镁合金逐渐的增加用量,现在用量总体来说没有这么多。它有一个最大的好处就是轻,比重更低,只有1.7几,还有一些其他的优点。它的抗腐蚀性很差,汽车轮毂在镁合金当中,轮毂是用的,常用的车不敢用,一旦哪天破损以后腐蚀很厉害。整个制造工艺困难,合金很少,制造的工艺也很少,现在用的最多就是车的方向盘,全世界只有一家还做铝合金的,基本上都做镁合金的。座椅现在用的也非常多,很多地方用镁合金的座椅。

我们做一些项目,这些都是公开的,我们主要是做铝合金这一块,跟东风合作。

镁合金有各种各样的优点,整个趋势发展我就不细讲了,趋势无外乎就是增加它的强度,降低它的成本,增加它的抗腐蚀性等等。

工程塑料的运用,一些高档车上限制用,感觉好像是低成本的东西,实际上现在用的,有一些工程塑料做的也越来越高档,性能越来越好,工程材料有一个特点,它的成本比较低,比较轻,还是有一定的发展潜力。

复合材料从原理上来说有非常多的优越性,非常高档的车,特别是专用的车用复合材料比较多,赛车用复合材料比较多,上次去英国,专门有研究怎么样做复合材料出身的,它的优点很多,比如说强度高,重量轻等各种各样的优越性,目前用的普及起来一定的困难,最主要的原因就是成本问题,涉及到其他维修,怎么回收等等各种各样的问题,因为用的比较少,研究的人比较少。

咱们国家有规划,它是很重要的一个材料。整个轻量化用的,一个是超强钢用的比较多,耐磨件,耐高温件,现在用的越来越少,用的最多是铝合金,特别是大车铝合金轮毂,说用车,大车,减重效果更明显,铝合金是目前为止取代钢达到轻量化最常用的材料。镁合金因为密度比较低,有一定的强力。复合材料也是跟镁合金一样,有很大的潜力,目前没有达到汽车企业所说的低成本,高产量,质量稳定性等。

疲劳性能,对疲劳性能有一定的要求。

腐蚀,比如说环境的腐蚀,用铝合金跟现在关键的钢构建的结合,现在有大量的研究,也有一些解决方案,它是需要关注的问题,各种各样的连接性能,比如说一看这个汽车企业生产,都是机器人,大部分都是电花和激光,其他进一步的连接,怎么样高性能的连接和应用也是很重要的。

连接是这样的,一般来说连接一定会降低材料的性能,涉及到连接的问题打一个问号,连接以后性能降低多少?铝合金一般的焊接降低50%到60%左右。好的焊接,可以大幅度提高整体的性能。

成本控制,汽车企业对成本非常的敏感,对整个成本说,现在是一个很关键的问题,现在无论是在新材料研发,新工艺研发,还有维护等都要考虑成本的问题

绿色产品,因为我脱离了汽车企业有几年了,我弄一个材料,不是说这个材料用在车上就可以了,汽车报废以后它的回收问题也要考虑。

汽车轻量化的总体规划目前为止有三个阶段:

第一个阶段现在主要是用超强钢技术,焊接工艺等,比如说2020年,到2025年的时候,主要是现在铝合金来取代钢为主要的技术手段之一。

怎么混合?你铝合金用起来工艺怎么做?不是说合金以后就可以,怎么样能够成型?低成本的高质量的,高稳定性的成型。

寿命,还有可靠性,分布的时候一定要不单单看它的平均值,铝合金非常容易形成缺陷,它的可靠性是很关键的问题,需要很多的研究。同时,增加一些镁合金碳纤维的应用,长期来说镁合金和碳纤维用的越来越多,对于我们搞材料的人来说,我们做短期长期中期的技术储备。

对于铝合金的工来说,汽车里面铝合金里面用的最多80%是压铸,压铸一个最大的优点,它有低成本,高性能,高精度,缺点是容易形成缺陷,这个缺陷主要的原因是铝合金的高氧化性以及在压铸过程当中快速的冲形。

减气,想办法把气抽掉,这样就解决了减气的问题,在德国用一个办法,叫真空压铸,抽掉真空以后压铸,效率会下降,整个过程越复杂,自然控制越难,把你的速度降下来,慢慢上来,这样也是可以,挤压铸造,日本做的特别活跃,降低压铸的速度,达到控制液态的表面。压铸的很大优点就是速度快,高效率,现在降低它的速度。从冶金材料来说降低了速度以后,必然造成了快速凝固,很难做成复杂薄壁件。

还有一个办法,你倒水的时候,倒快速的话会搅的很厉害,如果把水做成冰激凌的形状,提高黏度,它界面是平的,不会卷了。金属当中有一个特性,某种控制情况下,可以控制一个金属,跟冰激凌一样,或者跟牙膏一样它是黏着的,不是固态的,可以快速的成型。

半固态压铸,在欧洲已经开始用了,我们得到一些国际专利等等,回国以后,在北京我们组织40多人的团队,对各个技术细节做整合,我们做了有6年。

这个不细讲了,这是美国压铸协会专门统计的各种工艺的优缺点,对产品性能的优缺点,各种成型的比较,画红的是得分比较高的。这是制备方法,整个生产工艺的优缺点的比较,这是生产效率,模具寿命等等,或者成本,或者价格的比较。

如果我把这些数简单的加起来,这是我犹豫的,为什么犹豫呢?我对于任何一个评价一定要加权重,不加权重有危险的,比如说对于汽车来说,安全把的权重比较高,成本很重要,这是成本,跟材料的比重,如果压铸的话就是3倍的价格。

半固态压铸成本因素104%,我们跟华为做的件,做的压铸,成本的30%几,用我的以后做到70%几,成本下降,不同的件成本有的增加,有的降低。

半固态,我不细讲了,液态的时候,我们可以做它是一个固态,但是很容易变形,这样的话我可以克服压铸的缺陷。这些学术上面的判断不讲了,整个工艺上做的东西不细讲了。

在冶金材料上面会仔细的讲为什么?我们大概知道一个结果就行了,这是我们的成果,这是我做这个项目,科研经费已经用了5千多万,这个国家项目,还有几个地方项目等等,已经花了大量的经费做这个,国家十三五重点研发项目,国际上公认我们做的最好的,明年我们全世界的大会,半固态的大会在中国召开,我是大会的主席,明年的10月26号在深圳召开。

这是一些产品,瑞士ABB做的一些检测结果,大概有150左右。

产业化,在全国有8条生产线,还是很基础的,现在这些企业基本上都是处于一旦有供货可以马上升,深圳已经批量的给华为、比亚迪供货,跟东风也有合作。

徐州戴卡斯汀(音),他是赞助商之一,如果到他的企业,已经脱离的传统的金属铸造的概念,什么意思呢?人比较少,大部分都是机器人在操作,坐在地下衣服不脏的,他的企业已经达到了,工业3点几,4.0肯定达不到,欢迎大家去参观。当然还有一些其他的地方。

这是我们开发成功的产品,减重效果非常的明显,整体减重我们希望达到60%。

这是我们生产线的流程,这是比亚迪上车的,这是他们出口美国的车用的,这是我的联系方式,谢谢各位。


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