周英辉:汽车行业改性新材料发展趋势

盖世直播2021-10-17 12:56:50

2021年10月15日-16日,由中国汽车工业协会、重庆两江新区管理委员会联合主办的“2021中国汽车供应链大会”在重庆举办,长安汽车、地平线作为官方合作伙伴全力支持本次大会。本届供应链大会主题为“补短铸长、融合创新——构建中国汽车供应链新生态”,共同探讨产业政策,交流分享技术,研判产业趋势,展示创新成果,旨在促进产业国内国际互动,凝聚产业链条上下齐心,共谋产业协同发展之路。其中,在10月16日上午举办的主题论坛“汽车材料新动态”上,金发科技股份有限公司、汽车材料全球创新中心主任周英辉发表精彩演讲。 

很高兴有机会跟大家分享我们的一些成果和见解,首先感谢余老师,感谢中汽协,并祝贺一下新材料分会正式成立,也希望大家一起加入分会,一起为汽车行业的材料做一些贡献,实现协同的发展。

我今天要分享的主题是汽车行业改性新材料发展趋势。我主要还是聚焦塑料方面,然后延伸到一些复材。我今天分享三部分内容:第一,行业趋势及格局,第二,双碳政策及产业路线,第三,车用改性新材料的行业机会及需求导向。前两个部分主要引用两个行业调研材料,大家有兴趣可以看看原文。

一、行业趋势及格局

第一个引用的材料是《汽车市场趋势与汽车产业》的数据。先导市场乘用车千人保有量变化如图所示,我国千人保有已达到150辆开始。“十四五”规划对车用还是十分利好的,包括“十四五”规划中的,共同富裕战略、双循环、双碳政策,其实给我们提供了很多新的机会。新能源汽车的发展,也有利于每个家庭复数的保有。

从消费层面来看,10万元以下的车越来越少了,说明消费者更愿意花钱买中高档的汽车。从消费者的消费兴趣来看,中国的消费者区别于国外的消费者还是有很大的特点,他们更愿意倾向于智能驾驶,对整个车联网的一些新的概念更感兴趣,可能跟消费者的年龄,90后,00后的消费习惯有一些关系。2020年下半年开始,新能源市场重新进入快速发展通道,包括造车新势力的加入,对产业链的重构会形成很大的影响。

预测到2025年实现20%的新能源车市场渗透率,关键影响因素在于电力的供应,电力的来源,尤其是发展纯电动车的材料。自主品牌的发展在消费者的口碑还是越来越好了,尤其是汽车新势力也被消费者越来越容易接受。

二、双碳政策及产业路线

汽油车仍是碳排放的贡献者,所以我们重点关注乘用车市场,当然商用车市场可能更多的是关注一些氢燃料电池的发展。A级车和B级车既是消费主力,也是碳排放的重大贡献者,把这两块车型实现碳减排,可能对整个贡献是最大的。纯电动车跟传统的车,在制造过程中对碳减排可能作用不是特别大,但是对于使用阶段是最大的贡献。各OEM的排放量对比,是一个动态的,还有跟各个主机厂的新能源车占比有关系。后续从产业的路线来看,我们重点的机会,比如在电动化这块,氢燃料电池车,还有车上的重点材料,还有一些循环材料的使用,会有一些重大的机遇。

三、车用改性新材料的行业机会及需求导向

行业的机会其实很多,从整个车的发展来看,不管是“四化”也好,还是几化也好,新能源车发展很快,到2030年年均复合增速将达到15%,到2040年新能源车保有量到50%以上。还有碳中和政策,纯电动车和氢燃料电动车是不矛盾的,是融合发展的过程,根据制氢的技术,是包括其他的风、水、光这些电力来源都有关系。还有一个汽车功能的重新定义,包括自动驾驶、智慧生活、智能网联、绿色发展。这块提出了很多需求。汽车行业发展说长不长,说短也不短,跟国际接轨越来越快,尤其是开发过程培养了行业大量的产业人才和设计人才,这里面的数字化在近些年发展我是感同身受,非常快的。以前我们做一个车做很多零件,可能还要做一些预制模,现在很多领域都是一次开模,直接开最终的模具,节省了很多开发成本,提升了很多效率。通过我们的数据模拟、仿真分析、模态分析,来解决从制件实物的验证到理论验证。这里面我们也有很多挑战。

下面我主要聚焦在热塑性的塑料材料方面,当然其他方面也有很多创新,也欢迎各位同行跟我们一起来交流。从整个车用塑材开发的新需求来讲,集成了车辆的使用阶段,怎么样实现低能耗,减排。制造过程,零件生产;还有一些新的针对消费者的需求,设计一些智能化的功能,我们制造过程包括如何使过程绿色化、健康的发展。还有回收再利用这块在双碳政策的前提下,也是很有前景的一个细分行业。

具体到一些技术,我总结了一些可,包括轻量化、复材、美学技术、创新功能、创新弹性体、创新特种材料,我们看一下轻量化的技术点,首先有一个薄壁化的工程,我们开发一些零部件的时候,比如说保险杠慢慢过渡到更薄的,实现高减重,又能实现生产节拍的提高。材料开发这块我们所说的比强度要高很多,它的比强度可能提高不止2倍,综合的制造成本会下降。这块对材料也提出了非常大的挑战。在我现有的模具上,如不想去做薄壁化,可通过低密度材料,实现性能可能改变不是很多,但是实现了比重的减低。

还有一个轻量化的方案,就是微发泡,包括成型方式,有一次性的欠注,还有满注成型,再通过松退,实现中间层的发泡,类似于三明治的结构。从发泡方式来讲,一个是化学发泡,我们通过添加发泡剂来实现注塑零部件的过程,还有一个物理发泡,比如注入超临界二氧化碳。化学发泡剂的发泡倍率可能更好,但是对整个的质量就会有更高的要求,所以还要综合考虑。

发泡的产品最终的质量影响因素很多,有设备、模具、材料、发泡剂、工艺,我们自己建了一套中试装置,也进行了很多技术验证。典型的运用,比如说某车型前端框架,或者电器部件,可以实现10%以上的减重。通过对配方体系的设计还有工艺的优化,能够实现对外观表面的控制,我们可以看到改善前后是非常好的外观,总体的性能大概有一定的下降,但是仍能够满足零部件的使用需求。

另外增强材料这个行业也有一些对高性能玻纤使用的提升,包括最终的工艺,这款材料设计属于高性能的玻纤增强,可以有10%-20%的性能提升。这是它的长期的耐疲劳性表现也很好,甚至超越了长玻纤的材料。另外长玻纤应用也有一些年头了,但是还是有很大的运用潜力,特别是替代传统的尼龙材料有很大的优势。零部件应用工况从低温到高温,还是比如说120度或者150度这种起决定性的因素。所以说在内燃机应用减少之后,长玻纤材料应用将会越来越广。

另外全塑车身结构也在运用,以尾门为例,内板和外板,用聚丙烯改性的材料,通过焊接的方式,实现整体的减重。这是外板的几个典型的性能,内板这块其实还要考虑很多,比如说钢度、强度、耐疲劳性,甚至要求有很好散发特性。塑料件考虑的问题,长期耐疲劳,还有环境、老化的性能,甚至包括外板的焊接性也是很大的一个挑战。

这是两款内板材料的性能,因为内部很复杂,可以减少加工工序,也有利于加工过程的减碳。最重要的还有流动性,因为制件很大,很复杂。

另外纳米注塑,类似通过二次注塑的形式,金属嵌件的形式,逐渐替代金属,达到减重的目的,大部分以工程材料为主,PPS,PBT等等。

另外复合材料前面已经讲了很多了,碳纤维这块的复合材料,尤其是汽车的民用消费品的属性,热塑性的连续纤维增强热塑性复合材料。比如说层压板,可以用玻纤,比较适用于平板这种结构。还有一款之前开发得比较成功的是门基板,它也集成了很多结构。这个是很多的零部件的运用,还有一些模压注塑一体成型。还有在美学、光学方面也有很多设计。还有一些外观的效果,大理石纹理的,免喷涂和高光黑用得还是比较多一些。纯的良外观的增强材料性能也有一定的应用。在成型加工方面,对材料提出新的需求。

另外配合下游的生产工艺,比如说激光焊接,替代超声波,它要求上面要透光,下面要吸这个激光,实现零部件的连接,这个有很多的运用,减少了很多能耗,提升生产效率。另外在功能方面,有些电池屏蔽这些材料,我们也和客户一起开发,既能实现电池屏蔽,又能实现导热,有很广的前景。对于制件的表面标识,可以实现激光打标的材料也很多。还有透波类的,应用于保险杠相关的雷达组件,可以减少对雷达信号的影响。

另外是弹性体这块,传统应用就不讲了,凡是应用两个零部件,硬对硬匹配的中间,都希望用一个中间件来进行匹配,我们通过注塑的方式的TPE类材料,替代PVC或者皮革,实现可回收、环保、高效、低成本的方式。

另外创新特种工程材料,我们也开发了很多,行业内很多外资企业做这件事情。高温尼龙、液晶聚合、纳米注塑性质材料、激光直接成型材料等,我们也呼吁主机厂对国内的材料还是要有一些自信。总体的性能是高强度、耐疲劳、蠕变性、耐高温、耐溶剂、尺寸稳定、电气性能优异。

最后两点,其中材料的回收再利用,能够通过行业的影响力,真正实现规范性的,理性的,真正把回收事业做起来。昨天晚上有专家提出25年之后,每年要报废几百万台车这是很大的资源,通过规范拆解,规范筛选过程中我们根据应用的需求来实现改性,造粒,实现循环,国外有很多例子,我们可以学习一下。

在数字化开发这块,应用方面的产业人不少少,应用平台也不少,但应用软件这块大部分需要的分析软件都是外资的,空间很大。我的分享就这么多,希望其他的也可以跟我们一起来交流,可能总结得不是很全面。