陈光祖：让汽车产业爱上新兴的材料工程

　　（一）汽车产业的现代化建设，离不开众多高科技新兴材料工程的支撑，可以说当代汽车产业在推动的新一轮产业革命中，它正扮演着基础和先导的重要角色。近来国际汽车界曾流行着对新兴材料工程的一种形象说法：“一代新材料、一代新汽车。”

　　什么是新兴的材料工程呢？指的是已出现和应用或正在研发中，拥有比传统材料不具备的优导性和特殊功能的材料，但它又突破了传统材料的局限性，成为拓展汽车产业颠覆性创新驱动和巨大发展的推动力。这里要说明的是新兴材料工程有两大类型：一是在自然资源中新发现和应用的高水平新型材料；一是广泛应用多种高科技手段，经过合成或加工的新型材料，这往往是一种复合型材料，而后者的新兴材料正在迅速发展中，将是居主导地位。

　　新兴材料工程的特征是：在汽车产业新常态和互联网 形势推动下，供给侧结构性改革进展加快，推动新兴材料工程进入加快发展的新时期；重点应用于汽车轻量化上，当前的铝、镁合金应用仍占很大比例，而今后将逐步为超轻量化的新兴材料所替代；由于某发展领域的特定需求，促进了具特定需求特色显著新兴材料的出现，促使某领域的产品和经济得到突破性进展，这已显现创新迫切解决问题的一种好办法；应该是具有绿色、低碳、可循环利用，可回收的，无公害的材料性能；新兴材料工程结构应是多元化，多元素、多样化的以复合组成方式出现，所以它的跨界度很大，科技和信息融合度很高，以及基础性研究应用的程度也很突出；对汽车产业来说不仅大量的应用在传统汽车的改造升级上，对新能源汽车，尤其是电动汽车，自动驾驶汽车上应用，都提到重要议事日程；从当代需求看，生物材料工程将不断涌现和深透发展之中，这对发展智能化材料，提供良好的软硬化实力；当前正在对新兴材料工程的新型理论加强研究，除了常规理论外，还对新提出波函数、电子云、量子态、电离能等新理念进行研究，开拓新型材料的新视野和知识水平，加速新兴材料工程理论体系的形成和发展。

　　（二）当代新兴材料工程发展领域十分宽广，这里我们以探索和追踪的思路，对比较时尚、奇特、前沿、实用的新兴材料工程一些典型事例作些推荐。

　　有趣的液态金属：又叫金属玻璃，它是一种在低温熔炼时，即行固化的非晶态金属。如果说钢铁晶态固体的原子排列，好比阅兵队伍，十分整齐有序，而非晶态金属的固体原子排列，就好比北京王府井街道上熙熙攘攘的人群，处于杂乱无序状态。液态金属兼有金属和玻璃的双重性能，成为迄今为止十分强劲的一种材料，如一根4mm粗的液态金属棒，可以悬吊起了3吨物体，并能在强酸，强碱环境中无损完好运作，而它的硬度却像玻璃那样，十分坚硬具有相当好的耐磨性和耐用性。

　　当前，在国际上跨国汽车厂商已用液态金属用于制造高强度、抗耐磨、抗疲劳、抗腐蚀的汽车零件，特别是在改装车和房车上应用比较多，我们中科院物理研究所已和一些汽车厂商合作研究应用中。应当说液态金属在汽车产业中的应用前景十分广宽。

　　高档次的碳纤维复合材料：是指含碳量高于90%的无机高分子纤维，其中含碳量达99%的叫石墨纤维。这种类型材料强度比一般的钢还高、而弹性模量又很大、疲劳强度高、耐冲击性能好、化学性能稳定、耐水耐湿气好、摩擦系数小、耐高温。在汽车上可用于制造车身、壳体、还可用于制造齿轮、轴承、密封圈、容器等零部件。目前，高档次的碳纤维复合材料在世界上主要生产厂商在日本、如日本东丽、东邦和三菱成为该产品主要供应商。当前，美国、德国汽车公司和日本相关企业合作、研发和应用碳纤维复合材料制造车身和车身框架问题，这样车身的重量可能比铝合金车身还减轻1/2，而强度则比常用的钢材结实10倍。新型的车身从框架开始，制成后用各种形状的表面蒙皮，以高强度的粘接剂粘上，个别地方为加强附着力，加上一些铆钉，而不用焊接了，这种车身已在一些跨国汽车公司试验应用中。近年，由于大型航空客机，高铁车厢等需求，我们的碳纤维复合材料研发制造有了很大进步，这对推动今后汽车上的应用提供了良好机遇。

　　精细工业陶瓷：我们把陶瓷业分为两大类，有古老传统的陶瓷业和现代化精细工业陶瓷。

　　对传统的陶瓷业我们再熟识不过，几乎天天接触，离不开它。传统陶瓷是由天然的无机物烧结制作而成，如厨房用具，卫生间用品、房间摆设陶瓷工艺品等，已构成我们日常用品巨大市场体制，不过对传统陶瓷品也有不少需要创新驱动问题，我们十分期望，经过改进也能更多的用在工业和汽车上。

　　近来，随着科技和信息产业的迅速发展，现代化的精细工业陶瓷几乎成为高科技产业一种材料革命的代表，被称为人类“新石器时代”重新来临了，它在核工业、航空、航天、船舶、电力、电子、机械、汽车、医疗、海洋开发、新能源、环境事业上都得到广泛深入应用，也和传统的陶瓷业一样，几乎样样产品都离不开它，而且应用前景十分优良。

　　精细工业陶瓷的原料总的讲也是天然无机物构成，但要求要达到高纯度、高质量、高功能的应用，同时应用人工合成的无机物上也下了很大功夫，形成好的导热性、低热膨胀、高刚度、硬度、强度和好的电学性能。

　　这里说些汽车上应用精细工业陶瓷的例子。在活塞顶部、气门、增压器、转子、发动机排子管、气缸套内壁等都喷涂上精细工业陶瓷，很大的达到“节能减排”目的；在汽油电喷发动机和高压共轨柴油机的喷油器上，应用一种压电陶瓷来控制各种工况的喷油量，很好的降低了喷油的迟滞性，在直喷、增压、可变气门新型发动机上广泛得到应用；对汽、柴油发动机后处理器上各种排放物的处理器，如三元催化器的载体就是应用非常精细的陶瓷气孔物质造成的，随着排放标准提高，载体不是加大，而是用更精细的孔劲来处理和排污了。在传感器上也不少应用精细工业陶瓷，如难度较大的氧传感器上应用，能很好提高检测的灵敏度。在智能自适应的神经网络控制上，应用高精度压电陶瓷制成控制器,自适应实时性达到0.13微秒，比前一代的控制器几乎提高了2.5倍。当前汽车上精细工业陶瓷正在向更加高端化方向前进。

　　高分子材料也很惊人：近日在巴西奥运会上，不知道你是否看到游泳运动员穿的是又黑又长很遮体的泳衣，很难想像为什么要穿这样的泳衣而不是过去很狭小的三角裤呢？据了解这种泳衣又称为“鲨鱼皮泳衣”，它是模仿鲨鱼皮肤那种富弹性，在运动中减少摩擦，对肌肉凹凸度运动的水阻力可减到最低，可以引导周围水流的流向等优势，所以几乎所有游泳运动员都穿上了，包括泳帽。这种泳衣 是应用超伸展性高分子合成材料，由世界著名的澳大利亚SPEEDO公司专门特制的，最早在2000年悉尼奥运会上用上，现在已经是第五代产品了，具有极轻、低阻、防水、防冷、无皱褶、无缝点的特种衣服。这就是高分子材料为某一特定需求，而创造出来的符合人体工程的好衣服。这只是一个插曲。

　　那么什么是高分子材料呢？它是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，如我们熟识的塑料、橡胶、纤维、涂料和高分子复合材料等，这在汽车上也应用很多。据说当前在一辆轿车上一般应用高分子材料可达到230公斤，今后还要不断的在增加，如前后保险杠、档泥板、后视镜、座椅、内外饰件，灯具、各种布料等等，应该说这些传统的零部件也在不断创新之中，有的可能达到像泳衣一样令人难以想像和惊人的地步。

　　当前对高性能塑料、合成橡胶、生物纤维、纳米纤维、新聚合物纤维、高质量涂料和黏合剂，都寻求在汽车领域深入应用中，如塑料燃油箱已广泛应用于乘用车上，这种高绝缘，耐高温、没有焊缝，可随意改变形状布置在底盘上，在万一撞击时也不易破裂，国内已大量生产供应。橡胶空气弹簧是一种柔性的橡胶囊中注入压缩空气或水介质，利用其可压缩性，实现非金属弹簧的应用，已较广泛应用在各种汽车上。当前玻璃主要是硅酸盐材料制成，在汽车上应用夹层膜玻璃，钢化玻璃，以适应汽车安全需要，但重量较大，智能化改造较难，以后将逐步为以聚甲丙烯酸的高分子透明材料所逐步替代，目前有些轿车的天窗已经采用这样有机物玻璃，这种玻璃不但透明度好，强度也不低，重量轻，更重要的是可以利用电化等性能，适应各种不同气候变化，实现智能化要求，而且万一发生事故不易伤人，这在飞机上早已应用了。现在汽车界人士说：“塑化汽车”年代到来了，这是对汽车应用高分子材料多么好的期待。

　　超级的光电材料与器件：当代超级的光电材料和元器件已成为国民经济发展一个焦点，具有重大的战略意义，当然也包括汽车产业在内。权威专家预测，当代汽车上的重大创新，90%与超级的光电材料和元器件有关系，如半导体，超导、电阻、绝缘，软磁、永磁、激光、测温、声学、电能、记忆，红外光等等超功能的材料，而且权威人士表示，未来光电“耦合”属性的光电升级版物体，有助于人类实现量子时代的到来。这样光电材料和元器件面太广宽，深度太大，我们只能从与汽车关系更为密切的半导体芯片来讲。

　　从汽车微电子时代发展经历来看与半导体的芯片有着很大关系，这大致可用五个阶段来探索：第一阶段， 1947年半导体晶体管诞生，它体积比电子管大大减小，效能高、功耗低、重量轻，这样半导体晶体管在上世纪70年代相继应用于汽车上，如晶体管收音机，电子点火控制器，交流发电机控制器等，打开了汽车电子序幕，属于汽车电子初期应用年代。第二阶段约在80年代末，由于微控制器的发明和应用，通称单片机（MCU），这种高级芯片可以将计算机的微处理器（CPU）中不少元器件功能集中到新型的芯片上，大大提升了汽车电子器件的应用效率和功能，如汽车发动机电子喷油系统控制、自动变速箱电子控制、汽车防抱死系统、汽车稳定性控制系统、汽车电控悬架等，一辆比较高档的轿车，就拥有约100个的MCU，汽车电子进入微型化应用时代。第三阶段，90年末，即单片机进入嵌入式应用年代，用时尚的话就是电子元器件进入个性化应用年代，使电子控制专业化功能更加深透，应用水平更高，集成度，系统化控制水准更深。嵌入式微处理器也叫SOC单片机，从过去的8位机为主，进入了16位，32位，个别64位高功能应用时代，所以也叫用户定义的集成电路（CSIC），就是说汽车需求什么样的功能芯片，你就供给什么样的芯片，要按客户对芯片个性化特色需求进行高功能芯片设计和供给，还有汽车进入网络时代，汽车在物联网指导下实行车联网，如何实现更好的人、车、路协同运行，SOC同样也发挥了很好的核心作用。汽车界人士认为，这是色彩斑斓的单片机世界来临了。第四阶段，即新世纪年代信息产业包括大数据、云计算、大科学、移动互联网众多新兴产业迅速惊人的发展，不少高科技产业实现突破性发展，基础性研发项目都不断投入社会领域应用，这样提供了对汽车产业芯片带来了新的要求，传统的硅质芯片发展也到了极限，于是可能出现金属、陶瓷、聚合和复合物一类新型纳米材料的芯片，狭义的汽车电子控制概念落伍了，要大力解放思路和措施，迎接汽车广义的电子控制的时代来临。第五阶段也可以说是未来光电芯片发展新阶段。量子型计算机的出现，即利用光电效应和量子纠缠效应协同进行的极速计算，于是促使光电超导芯片的诞生，计算机数据不再是分步进行，而是同步计算，其运算速度比因特尔奔腾4芯片快10亿秒次，相当于一枚信息火箭，在瞬间搜寻整个地球，以至宇宙间的互联网信息，而且安全可靠，促使知识、思维、联想、推理能解决极为复杂的科技计算问题，对汽车来说成了轻而易举的可解决自动化动作问题的难点，汽车可以飞行，可以下海都不存在问题，到底是什么样的汽车现在还不知道。

　　在世界上应当说我国的计算机水平不算低，我们“天河二号”超极计算机已连续4次蝉联世界第一，每秒浮点运算达到33.86千亿万次，“天河三号”超极计算机已在天津滨海新区研发，预计2018年完成，计算速度达百亿亿秒次，而且可以实现100%国产化。同时，我国量子计算方面也下了不少功夫，近日我们发射了“量子号”人类第一课量子科学实验卫星。在量子计算机基础研究方面也不断取得进步，在上海用飞秒激光技术刻制出光子芯片也落地了。同时中科院在非局域量子模拟器上的信息以1.9倍光速传输获得成果。但必须指出，至今我们汽车产业的芯片基本全靠进口和采购外企的产品，芯片这个汽车产业的最重大的一个核心科技还无法自主运作，而今后芯片的科技又发展这样快，这是新老汽车人感到非常愁心的事件。

　　纳米汽车时代来了：当代在汽车界科技活动中常提到纳米这个词，纳米是什么？它本身不是物质，是一种尺度，和米、厘米、毫米一样的尺度单位，不过纳米尺度小到令人吃惊的地步，一纳米只等10亿分之一的米，通俗讲人的一根头发直径等于6万分之一的纳米，现在国际上惯例认为处于1-100纳米之间的物体，才称得上纳米技术和纳米结构的物体，因为当物体降到纳米级时，在物理化学等性能产生了巨大变化，提升了纳米技术优异的独占性优势。在人类文明进程中，认为工业革命之前是毫米时代，工业革命到了20世纪的中期，人类跨入微米时代，而20世纪末期，随着高科技与纳米技术不断深入发展，人们认为人类开始进入纳米时代，当代神奇的纳米技术不断涌现，将引发和带动世界新一轮产业革命的发展，也将更深刻的刮起一场纳米经济的风暴。钱学森指出：“纳米左右和纳米结构的物体是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命”。事实证明纳米技术在微电子、光电、化工、制造业、钢铁、航空、航天、医学、陶瓷、复合材料、生态环境等诸多领域应用纳米技术，促使其物体从基础性能上提升，产生新型神奇动效，这包括汽车产业在内，几乎涵盖一辆汽车的所有方方面面，于是纳米汽车时代到来了。

　　材料之王石墨烯：石墨烯是世界近十年来新发明的超级材料。它是一种由碳原子紧密堆积和合成的二维晶体，类似铅笔的石墨那样的物质，把它分离成薄片，又在薄片上贴胶带，再进行剥离，反复切割，形成极为细薄的片体，就是这样的一直剥下去，就构成了石墨烯产品。

　　石墨烯是人类社会已知物质中最为坚硬透明度极好，又有韧性，电阻率极低，防水防热，资源丰富的完美材料，现在世界上几乎所有国家都在研发和推行中，中国是世界上研发和应用石墨烯最为强大的一个国家，而且在不同的领域不断深化产业化应用。现在已知石墨烯可应用在柔性触摸屏、海水淡化、电线电缆、病症治疗、导热材料、可穿载设备、新型LED灯具、电子信息、能源存储、航空航天、太空服饰、集成电路与芯片、智能传感器、超级电容、生物医药、防爆轮胎、健康衣服、防火衣等等，新的用途还在不断增加之中。据说三星和苹果的竞争，将从智能手机转向石墨烯应用的技术上，把这个材料的专利放到竞争的首位上，特别是研发碳纳米管和石墨烯合成的技术结合上，期望通过高端新材料研发应用，集成众多高科技产业上，以此带动世界经济翻天覆地的变化。

　　《中国制造2025》规划中，将石墨烯作为一种重要新材料，纳入国家重点发展战略中，2013年7月《中国石墨烯产业技术创新联盟》成立，力求促进石墨烯科研的资源优化组合和加快产业化进程，预计2015年中国石墨烯市场值已突破100亿元，2020年将超过1000亿元，但这还是初创时期的产能，却占国际上总产能50%以上，而从未来观念看将是不可预测的高到什么水平。当前，国内在唐山，常州，重庆，深圳，宁波，上海，厦门，西安，青岛，无锡等地都把石墨烯作为重点产业加以大力支持和发展，以此来创建我国石墨烯产业新体系。

　　石墨烯作为汽车产业的新型材料，可以应用的领域太宽广了，这里仅讲一个汽车锂动力电池上应用问题，因为至今还有不少争议，认为石墨烯什么地方都可用，对锂电池还难以用上。据了解目前石墨烯在太阳能电池，超级电容，燃料电池上应用已取得较好突破，新型的太阳能汽车，超级电容公交车已经在试用中，但对锂动力电池的应用上还是个问号，但不能说现在还未用上，今后也就不能用，据了解它在锂动力电池的负极，正极，高导电剂电解液，生物性兼容，防火性隔膜，还有高温自闭性，可防火防爆，快速充电等项目应用都在研发中。最近据说人们称一种“烯王电池”在研发中，也有厂商去投建资，这将为动力电池取得突破性进展在努力，但愿能早一天看到。

　　第三态金属钛合金：专家认为钛合金不属于钢铁金属类，也不属于有色金属类，是有可能自建的第三态体金属。钛的资源丰富，重量轻，比强度高，耐热，耐蚀性好，当前常以钛铝镁等多元素合金出现，这种类型钛合金，既减轻重量而且耐高温，塑性优良，既克服目前加工条件复杂成本高，还可达到工艺简化，成本较大下降，所以得到了很广泛应用，如在飞机，汽车，轮船，机车上被称为与良好的蒙皮材料，与工程塑料，玻璃纤维复合材料的应用各有优势，形成强烈的竞争态势。钛金合在汽车上还有一些事重要用途，如以钛合金代替代不锈钢的消声器，以钛合金制造涡轮增压器壳体和叶轮代替镍基合金；以粉末冶金钛合金锻造制造汽车发动机曲轴、连杆，气门，如在意大利法拉利2003EMZO型超级汽车上V12发动机就采用钛合金连杆；还有一种铁钛系钛合金，制成吸氢合金，用以制造汽车上氢气贮藏器，克服氢气在液态时，需降温到一253℃运作的沉重负担，目前已有作少量应用中，进一步则考虑制成大型的氢运输船和大型车辆的大型氢贮藏体。

　　很专业的磁流变液（MR）：在近来的车展上人们都看到一种具有半园形的汽车驾驶盘，像飞机的驾驶盘一样，多用在概念车上，而这种汽车驱动的背后就是一种十分专业的磁流变液材料在起作用。

　　磁流变液属于一种可控的流体智能材料，已成为当前一些工业领域，包括汽车，十分活跃的分支。它具有良好的高磁导率，低的磁滞性，可以应用微细的软磁性颗粒和非导磁性液体，混合在一起而构成的磁浮体，归纳起来是由母液，易磁化颗粒和稳定剂三种物质为主构成的。当磁流变液处于零磁场时，呈现的是极低粘度，没有阻滞力，当在加强磁场作用时，即呈现出高粘度，固化物体的特性，在极短的时间段（一般在毫秒内），的不断变化，从而达到对某一机械系统控制的目的。在飞机上，特别大型飞机对机翼，机尾，起落架的控制，不可布置众多的纯机械机构，所以应用磁流变技术，极大的简化传导机构，能耗很小成本低，精确性好，包括防颤振，防噪音等好处。当前已应用模糊神经网络计算机系统，一种多旋转式磁流变阻尼器，对远离驾驶员的机翼，机尾，和起落架进行智能控制。上世纪末国际跨国汽车公司也对磁流变液技术引入汽车上，国内个别汽车企业也在试验中，这将使汽车智能传动达到高度的水平。

　　国际汽车界专家预测，未来的电动汽车应用可能有三大系统，一是轮毂电机直接驱动车轮，二是无线充电，汽车动力电池充电不用电桩，在高速路上有充电道，要充电时汽车驶入充电道自行充电，这种汽车可以一天不停的在奔跑，三是磁流变控制，从部分的智能化应用提升到全自动驾驶上。

　　（三）在我们汽车产业意气风发，众志成城的不断去创造中国汽车奇迹的时候，我们明显的感到在发展汽车产业新型材料工程方面，却长期的存在着不少围墙和篱笆现象，你干你的，我干我的，你管生产，我管采购，两个产业的协同，融合、共享虽有一些改进，但非常不够，可以说汽车产业新兴材料工程存在着依赖，隔离，固化，弱势，低端，动荡和杠杆，当代汽车产业已进入信息化，网络化，全球化，社会化，大科学的发展年代，为了从基础和先导角度提升汽车产业自主创新水平，我们一定要坚定的按新常态，互联网 和制造业2025发展规划精神，以改革，创新，融合，共享发展理念，敢于向积存多年的顽疾开刀，敢于触及深层次利益关系和矛盾，坚决冲破思想观念上束缚，坚决破除利益固化藩篱，坚决清除妨碍社会生产力发展的体制障碍，高质量，高度化应用新兴材料工程水平，相信我们可以促使汽车和材料成为鸟之两翼，车之两轮，携起手来走到一起，共同为建设汽车强国再立新功。