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“材料”的未来是产业竞争力

时间:2021-05-02来源:全球有机硅网

材料”的未来是产业竞争力

建筑、桌子、衣服、手机、汽车等,我们周围具有“表面”的所有的物品中都隐藏着不断发展的材料技术。现在的样貌是汇聚一直以来变化的最终结果,也是发展的中间阶段。特别是汽车与手机是材料技术变化体现得最快的领域。让我们展望一下不断发展的未来材料,进而了解一下对涂料技术的影响。

 

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更轻、更坚固——轻量化

 

近年来,环保与高效的必要性逐渐显现出来,所有产业中轻量化已经成为必备要素。特别是在汽车行业,燃油效率已成为主要评估指标,不仅因为环境规定,还为了轻量化与强化车身刚性,采用了各种材料。这种材料与环保汽车、自动驾驶汽车、车辆共享等,跟着汽车产业的大热门不断进化。
最近,汽车行业的重要关注点是轻量化,事实上这从内燃机汽车时候开始就是重要的课题。因为随着汽车重量变轻,发动机的负担减少,浪费的能源降低,燃油效率提升,尾气排放也会减少。通常,减少10%的车重,可提升7%的燃油效率。虽然如此,汽车自发明以来一直在增加重量。


其主要原因包括:车辆尺寸的变化,应对加强安全的规定,增加新的便利项目等。而且,最近快速进行的车辆电气化(Power Train Electrification)也是急需轻量化课题的因素。电动汽车的优点是在运行阶段大幅减少温室气体的排放等,但是重量和燃油效率方面多少有些不利影响。将现有车辆替代为插电式混合动力汽车(PHEV)或纯电动汽车(BEV),需要增加250kg~300kg的重量。因此,整车企业开始摸索各种轻量化方案,在保持车辆性能(燃油效率)的同时,增加顾客需求的新功能,以满足产品和市场的变化。


车辆轻量化趋势下,值得关注的就是材料领域。通过新材料达到轻量化,虽然开发期限长,但可以期待创新的轻量化效果。到目前为止,广泛用于汽车产业的材料是组成车身的钢铁(Steel)。从性价比方面,开发可替代钢铁的材料并不容易。钢板制造商们开发并采用了高张力钢板、超高张力钢板等材料,致力于开发兼具刚度和加工性的材料。虽然不能一次性替换所有材料来减轻车身重量,但将铝、镁、碳纤维复合材料(Carbon Fiber Composite)、工程塑料等新材料用于部分车身和零部件的趋势逐渐增加。


BMW
公司的i3、i8以较为低廉的价格推出了采用这种新材料的车辆,以i3来讲,在要求行驶稳定性的驱动模块(Drive Module)采用了铝材料,在车顶、车盖等外部结构采用CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)材料,在车门、挡泥板等外部表面采用塑料材料,通过轻量化增加了行驶距离,确保了冲撞安全性。


通过材料实现减重效果远高于改善“车辆结构”或“材料工艺”。但是,选用替代材料必须考虑成本、结构性能、磨损及其他因素,所以可能不是所有情况下的完美答案。


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新的表面材料及涂装工艺的必要性

 

由于轻量化材料有着从根本上不同于现有材料的特点,需要全新的前处理方法与涂装技术。轻量化材料的表面特性不同,物理和热力特性也不同。这些具有特有的处理、加工及表面处理条件,与金属不同,对热敏感。过度的硬化时间和温度,可能导致材料变形和受损,所以需要新的涂层材料和工艺,比如用粉末涂装替代液体涂装,用水性涂料替代油性涂料,用UV固话替代热固化等。虽然钢铁材料汽车涂装主要使用摄氏140度的高温烘烤涂装系统,轻量化的复合材料汽车由于部分材料的特点,无法进行高温烘烤,仅可以采用100度以下的低温烘烤涂装系统。


正如材料的变化,涂料方面也不断的开发和改善。涂装过程中不发生雾尘(Over spray dust free)技术,无需标记也能在特定部位涂装图案的数字印刷工艺,夏天最低限度降低内部温度上升的隔热涂料技术,易清洗功能或根据电气信号发光的电致发光涂层等,这些都是过去从未要求的功能。考虑到被涂物的材料与结构的特殊涂料技术将紧随轻量化材料的发展而变化。


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变化趋势最快的移动领域

移动设备的携带便利性等外形要素的改善相比其他领域而言更快。因为新产品的开发与上市,消费周期比其他领域要短。因此,材料的变化也较快。移动设备的外饰材料中备受瞩目的就是决定感性质量的独特质感,5G等电波接收率高的高性能材料备受关注。

以主要型号来说,如果过去的手机主要使用了PC(Polycarbonate),最近主要以钢化玻璃和铝、不锈钢等金属作为外饰材料。中低价型号使用PC和GLASSTIC。PC系列用作成本、加工便利性等优点较多的普遍性材料,而最近继续发展为同时具有耐划性、高耐热性、高硬度和柔韧性的方向。

最近,移动设备领域随着显示屏、工艺流程、电池等传统硬件要素的技术差距减少,正在准备所谓Form Factor的外形上的创新。智能手机自出现以来尺寸不断变大,厚度不断变薄,而外形上并没有太大变化。最近三星和华为的可折叠屏幕和LG的双屏在外形方面带来了可喜的变化,其中材料起到了重要作用。相关行业正在持续关注移动设备“内外”的材料变化。

 

 

 

值得关注的现在和未来的材料

 

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CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)CFRP是用石墨纤维制成的基材上,叠层、加压环氧树脂或氟树脂加热而成的复合材料(Composite Materials)。利用这种材料的零部件比铁制零部件轻30~50%,刚度强5.5倍,作为飞机主体的新材料备受瞩目。过去的整车企业将CFRP用于生产量有限的高级汽车。这不仅是因为很贵,也是因为成型时间较长,需要很多手工作业,不适合批量生产。但是,材料供应商为了CFRP的批量生产,开发出大幅缩短成型时间的工艺,汽车制造厂与这些企业推进共同开发,减少其技术屏障。今后,只要能通过制造技术的创新实现批量供应,有望成为新一代汽车材料,这将冲破钢铁要塞。不仅如此,还应用于飞机、铁道车辆、风力发电、家电等各种领域,有望提高能源效率与便利性。

 

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工程塑料

工程塑料是指可替代金属及陶瓷材料的高性能塑料材料。刚度和弹性好,耐药品性、耐候性、耐热性、阻燃性、绝缘性等优秀。种类包括聚碳酸酯(PC)、改性聚苯醚(mPPO)、尼龙(Nylon)、乙缩醛(Acetal)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。目前,工程塑料在全部塑料产业中占10%左右,但呈现出较快的成长势头。广泛用于汽车、耗材及工业、电气电子等,特别是在轻量化成为巨大问题的汽车产业,其需求有望继续增加。


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石墨烯(Graphene)

被誉为新一代材料的石墨烯是刚度比钢铁高200倍以上,具有高弹性的碳同素异形体之一。用于铅笔芯的石墨是碳如蜂窝状六角形网状排列的平面层层叠加的结构,这种石墨的每一层叫做石墨烯。石墨烯的厚度为0.2㎚,物理、化学稳定性极高。导电性能是铜的100倍以上,电子移动性是主要用于半导体的有机硅的100倍以上。强度是钢铁的200倍以上,因为能透过大部分光,透明度和伸缩性也很优秀。

虽然很难再近期内实现商用化,但石墨烯的活跃领域非常广泛。代表性的用途包括:利用高电气特性的超高速半导体,利用透明电极的可弯曲显示屏,只用显示屏就能运行的电脑,利用高传导度的高效太阳电池等。


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