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        車用液態(tài)金屬材料現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢*

        2021-10-09 03:44:20丁龍飛王童陳軼嵩金泰峰張凌霄劉永濤
        汽車文摘 2021年10期
        關(guān)鍵詞:汽車

        丁龍飛 王童 陳軼嵩 金泰峰 張凌霄 劉永濤

        (長安大學(xué),汽車學(xué)院,西安710021)

        主題詞:汽車 液態(tài)金屬 車用材料 發(fā)展趨勢

        1 引言

        材料領(lǐng)域的每一次重大突破都將對其他領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生重要影響,諾貝爾化學(xué)獎獲得者、以色列理工學(xué)院教授Dan Shechtman曾表示:“在今天的技術(shù)中,最大的一個限制就是材料技術(shù)方面的缺乏”。毫無疑問,新材料的研發(fā)將是未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要方向。

        液態(tài)金屬是近年來新材料研究領(lǐng)域的一個熱點,在工信部印發(fā)的《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2019年版)》中,液態(tài)金屬被列為前沿新材料[1]。與傳統(tǒng)材料相比,液態(tài)金屬有著諸多優(yōu)良特性,它的出現(xiàn)突破了許多技術(shù)瓶頸,顛覆了眾多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,這其中就包括了汽車產(chǎn)業(yè)。本文將對液態(tài)金屬及其在車輛上的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹,并對車用液態(tài)金屬材料未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

        2 液態(tài)金屬材料及其特性

        2.1 常用液態(tài)金屬材料

        液態(tài)金屬材料是指在室溫或接近室溫時依然可以保持液態(tài)的金屬,又稱低熔點金屬。常見的液態(tài)金屬主要包括:銫(Cs)、銣(Rb)、汞(Hg)以及鎵(Ga)。其中汞、銫、銣在常溫下也是液態(tài),由于具有毒性、放射性或不穩(wěn)定性,在實際使用中會受到諸多限制。而鎵基、鉍基金屬及其合金因其安全無毒、性能卓越的特點,在工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

        自然界中常溫液態(tài)純金屬的種類較少,主要有汞、鎵、銫,因此實際使用時一般采用液態(tài)金屬合金材料。為發(fā)現(xiàn)新的液態(tài)金屬功能材料,進(jìn)而解決材料種類短缺的問題,國內(nèi)已有研究團(tuán)隊提出了液態(tài)金屬材料基因組計劃[2]。

        2.2 液態(tài)金屬基本特性

        液態(tài)金屬材料集成了多種功能材料的優(yōu)良性能,具有良好的流動性、強導(dǎo)電性多種優(yōu)勢。以下以液態(tài)金屬鎵及其合金為例,介紹液態(tài)金屬的基本特性(表1)。

        表1 液態(tài)金屬鎵及其合金的主要物理性質(zhì)[3]

        2.2.1 導(dǎo)熱性

        對于高性能芯片,“熱障”問題一直是限制其向更高性能發(fā)展的一大瓶頸。液態(tài)金屬憑借高導(dǎo)熱特性,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冷卻介質(zhì)對熱源進(jìn)行冷卻。

        2.2.2 流動性

        液態(tài)金屬的粘度較低,為0.002 2 kg/(m2·s-1),水的粘度為0.001 kg/(m2·s-1),因此液態(tài)金屬擁有與水相近的流動性?;谶@一特性,液態(tài)金屬可用作電池電極,從而在根本上避免固態(tài)電極的枝晶問題[4]。

        2.2.3 密度

        盡管常規(guī)的液態(tài)金屬密度很高,但通過制備輕質(zhì)液態(tài)金屬,可得到低密度液態(tài)金屬復(fù)合材料(圖1),其密度可低至水的一半,且純液態(tài)金屬的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、力學(xué)強度及固液相變性質(zhì)能得到保留[5]。

        圖1 基于液態(tài)金屬-中空玻璃微珠制成的輕量化復(fù)合材料及對應(yīng)密度[6]

        3 車用液態(tài)金屬使用現(xiàn)狀

        3.1 液態(tài)金屬在汽車中的應(yīng)用

        3.1.1 汽車噴漆

        液態(tài)金屬車漆率先在高端車型上得到使用。例如,保時捷的918 Spyder(圖2),作為保時捷旗下的一款超級跑車,該款車型采用了液態(tài)金屬作為漆面,使整車具有非常亮眼的外觀,但選裝價格也高達(dá)83.09萬元人民幣。近年來,液態(tài)金屬漆面也逐漸在乘用車上使用,例如日產(chǎn)旗下的英菲尼迪QX60也采用液態(tài)金屬漆面(圖3)。

        圖2 保時捷918 Spyder

        圖3 英菲尼迪QX60

        3.1.2 車門

        車門鎖蓋應(yīng)具有較高的強度、耐磨性、高彈性和靜音性能。由液態(tài)金屬制成的車門鎖蓋可以提高鎖的耐久性和門閉合效果。目前,宜安科技公司生產(chǎn)的液態(tài)金屬汽車鎖蓋已成功在特斯拉Model 3車型上得到應(yīng)用(圖4、圖5)。

        圖4 特斯拉Model 3

        圖5 液態(tài)金屬鎖蓋

        3.13 汽車裝飾件

        液態(tài)金屬具有優(yōu)異的耐腐蝕性,出色的光潔表面度和高硬度,不少高端汽車會在內(nèi)飾中使用液態(tài)金屬裝飾部件(圖6)。

        圖6 液態(tài)金屬內(nèi)飾

        3.1.4 車身

        液態(tài)金屬也可作為車身材料應(yīng)用于整車。最先將液態(tài)金屬用于車身的是一款3D打印概念車(圖7),其車身采用了大面積液態(tài)金屬,但只能作展覽,不能進(jìn)行駕駛。隨后,寶馬也發(fā)布了一款名為Motorrad Concept Link的電動概念車(圖8),其車身也采用液態(tài)金屬材料且能夠?qū)嶋H使用,雖然未能實現(xiàn)量產(chǎn),但它的誕生也表明了液態(tài)金屬作為車身材料是一個可行方向。

        圖7 3D打印的液態(tài)金屬車身

        圖8 寶馬Motorrad Concept Link

        3.2 車用液態(tài)金屬存在的問題

        3.2.1 液態(tài)金屬成本過高

        液態(tài)金屬材料種類較少,但可選材料并不多,其原材料大多為稀有金屬,且成本較高,例如近半年來鎵的價格已超過2 000元/kg,使得液態(tài)金屬尚不能在車輛上大量使用,進(jìn)而限制了車用液態(tài)金屬材料的快速發(fā)展和應(yīng)用。

        3.2.2 尺寸限制

        利用液態(tài)金屬制造大型部件的工藝難度極高,成品率比較低,這也是目前液態(tài)金屬產(chǎn)品中小型零配件居多的原因。車輛上使用的零部件通常體積較大,這意味著要想在車輛上大面積推廣液態(tài)金屬,必須掌握大塊部件成型制造的核心技術(shù)。

        4 車用液態(tài)金屬材料發(fā)展趨勢

        4.1 車身輕量化材料

        車身輕量化的目的是在確保車身的強度和安全性能達(dá)到要求的前提下,最大限度減輕汽車車身質(zhì)量,同時要控制汽車車身的制造成本在一個合理范圍內(nèi)。

        新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為我國汽車行業(yè)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的一項重要戰(zhàn)略,對車身輕量化有著更高的要求。有研究顯示:對于電動汽車而言,減輕100 kg車重大約能增加車輛續(xù)駛里程的10%[7]?,F(xiàn)階段車身輕量化材料主要有高強度鋼、鎂合金、鋁合金。液態(tài)金屬作為新型材料也可用于車身,且由于液態(tài)金屬復(fù)合材料的密度可低至水的密度的一半。若將其應(yīng)用于車身,車身可進(jìn)一步實現(xiàn)輕量化。

        4.2 車輛電子器件冷卻

        隨著汽車智能化、電動化等前沿技術(shù)發(fā)展,汽車傳感器等電子器件的數(shù)量也在增加,而電子器件散熱的情況將嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品工作的可靠性,進(jìn)而影響車輛的實際使用性能。傳統(tǒng)的電子器件散熱技術(shù)發(fā)展較為完備,主要的散熱技術(shù)有空冷散熱、液冷散熱及熱管散熱等。

        目前,液態(tài)金屬散熱技術(shù)也有相關(guān)研究,國內(nèi)自2002年以來,劉靜研究員的團(tuán)隊和其他研究人員就在持續(xù)研究液態(tài)金屬冷卻技術(shù)[8]。國外,2009年,Aqwest公司(美國)在美國空軍資助下,已開始開發(fā)用于混合動力汽車(Hybrid Electric Vehide,HEV)和插電式HEV逆變器的大功率激光二極管[9-10]和大功率電子芯片[11-12]的液態(tài)金屬冷卻技術(shù),并成功開發(fā)了一種緊湊的圓形液態(tài)金屬散熱裝置。

        可見液態(tài)金屬散熱技術(shù)作為新型散熱技術(shù),有望成為未來汽車電子設(shè)備散熱技術(shù)的發(fā)展趨勢。

        4.3 動力電池材料

        通常所說的新能源汽車“三電技術(shù)”包括動力電池技術(shù)、驅(qū)動電機技術(shù)以及整車電控技術(shù)。其中,動力電池是最為關(guān)鍵的一項,動力電池的技術(shù)水平將直接影響車輛的續(xù)航能力和駕駛性能。

        目前,新能源汽車使用的動力電池主要是三元電池和磷酸鐵鋰電池,磷酸鐵鋰電池具有能量密度較高、安全性能好、循環(huán)壽命長、低成本等優(yōu)點。但存在能量密度較低,電池性能受溫度影響較大的缺點;而三元電池的能量密度高、循環(huán)性能較好,但熱穩(wěn)定性較差。

        為提高動力電池的使用性能,可采用液態(tài)金屬作為動力電池的電極材料。研究顯示,由于液態(tài)金屬的流動性較好,若將其用作電池的電極材料,可以從根本上解決傳統(tǒng)可充電電池存在的枝晶、材料脫落和粉化問題[13],從而提高汽車動力電池的使用性能??深A(yù)見,液態(tài)金屬材料在未來有望在汽車動力電池上普及。

        5 總結(jié)

        從材料的角度,液態(tài)金屬材料有別于以往汽車上的任何材料。盡管目前液態(tài)金屬作為新型材料在車輛上的應(yīng)用并不廣泛,這其中既有成本因素也有技術(shù)因素。但隨著近些年液態(tài)金屬技術(shù)的不斷突破以及車輛的“四化”發(fā)展,液態(tài)金屬在車輛上有望得到廣泛使用。

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