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纳米技术在汽车产业的应用

纳米技术在汽车产业的应用 2011年12月10日 来源： 当集成电路代替电子管和半导体晶体管的初期，1959年美国诺贝尔奖获得者查理·费曼(Richard Phillips Feynman)，在美国加州理工学院召开的美国物理年会上预言：“如果人们能够在原子/分子的尺度上来加工材料，制造装置，将会有许多激动人心的新发现，人们将会打开一个崭新的世界。”今天，费曼这个预言巳经开始实现，这就是现在风靡全球的纳米技术。所谓纳米技术，是指在0.1－100纳米尽度范围内，研究电子、原子和分子内在规律和特征，并用于制造各种物质的一门崭新的综合性科学技术。其中：1纳米等于10亿分之一米，这么微小的空间，实际上就是组成物质的基本单位，原子和分子的空间。当物质被“粉碎”到纳米级细小并制成的“纳米材料”，不仅光、电、热、磁性发生变化，而且具有辐射、吸收、吸附等许多新特性。自从80年代初发明了电子扫描隧道显微镜后，世界就诞生了一门以纳米作单位的微观世界研究学科－纳米科学，进入90年代，纳米科学得到迅速的发展，产生了纳米材料学、纳米化工学、纳米机械学、纳米生物学等等，由此产生的纳米技术产品也层出不穷，并开始涉及汽车行业。纳米技术是汽车发展的核心技术。纳米技术能够从汽车车身应用到车轮，几乎涵盖了汽车的全部。纳米技术在汽车上的广泛应用，将降低汽车各部件磨损，降低汽车消耗，减少汽车使用成本；一定程度上，还能消除汽车尾气污染，改善排放。如今不少汽车产品已开始采用纳米技术，小小的纳米将使汽车产生极大的变化。图1、纳米产品内部结构（略）一、车用塑料橡胶汽车制造中应用的塑料数量将越来越多。纳米塑料可以改变传统塑料的特性，呈现出优异的物理性能：强度高，耐热性强，比重更小。由于纳米粒子尺寸小于可见光的波长，纳米塑料可以显示出良好的透明度和较高的光泽度，这样的纳米塑料在汽车上将有广泛的用途。经过纳米技术处理的部分材料耐磨性更是黄铜的27倍、钢铁的7倍。汽车用橡胶以轮胎的用量最大。在轮胎橡胶的生产中，橡胶助剂大部分成粉体状，如炭黑、白炭黑等补强填充剂、促进剂、防老剂等。以粉体状物质而言，纳米化是现阶段的主要发展趋势。事实上，纳米材料和橡胶工业原本关系即相当密切，大部分粉状橡胶助剂粒径都在纳米材料范围或接近纳米材料范围，例如炭黑粒径约11～500nm；白炭黑粒径在11～110nm。在橡胶产品生产中使用纳米材料，从20 世纪初使用炭黑补强就开始了，40年代开发成功纳米白炭黑补强橡胶制造轮胎。目前世界上著名的轮胎制造厂均逐渐用白炭黑来代替炭黑制造绿色轮胎和节能轮胎，据调查已取代5%～10%的炭黑。新一代纳米技术已成功运用其它纳米粒子作为助剂，而不再局限在使用碳黑或白碳黑，如ZnO、CaCO3、Al2CO3、TiO2 等，最大的改变即是，轮胎的颜色已不再仅限于黑色，而能有多样化的鲜艳色彩。另外无论在强度、耐磨性或抗老化等性能上，新的纳米轮胎均较传统轮胎来得优异，例如轮胎侧面胶的抗裂痕性能将由10 万次提高到50 万次。除此之外，美国通用汽车和蒙特北美公司目前已成功开发出新一代纳米塑料材料，称之为聚烯烃热塑性弹性体，它是一种高性能聚烯烃产品，在常温下成橡胶弹性，具有密度小、弯曲大、低温抗冲击性能高、易加工、可重复使用等特点。聚烯烃热塑性弹性体在车内应用的最大潜在市场是取代聚氯乙烯应用于大型配件，与聚氯乙烯相比，除了可回收外，还有长期耐紫外线、色泽稳定、质量较轻等优点。相关业者预测，在未来的20年内，纳米级复合材料配件将大量取代现有的车用塑料制品，有相当的市场潜力。该产品在汽车配件中的应用领域相当广泛。在汽车外装件中，主要用于保险杆、散热器、底盘、车身外板、车轮护罩、活动车顶及其它保护胶条、挡风胶条等。在内饰件中，主要用于仪表板和内饰板、安全气囊材料等。图2、碳纳米管用作转子的纳米马达图像（略）汽车应用塑料数量将越来越多。纳米材料在塑料中的应用不仅是增强作用，而且还能改变传统塑料的特性，例如，纳米粒子尺寸小，透光性好，加入塑料中使塑料变得很致密，使塑料呈现出优异的物理性能：强度高、耐热性强、比重更小。由于纳米粒子尺寸小于可见光的波长，纳米塑料可以显示出良好的透明度和较高的光泽度。此外，传统塑料抗老化性能差，影响其推广使用。这是由于太阳光中的紫外线波长在200～ 400nm 之间，此一波段容易使高聚物的分子链断裂，从而使材料老化，而只要在塑料材料中添加能吸收紫外线的纳米粒子，即能解决此项问题，如SiO2、TiO2 等。凡此种种，可见纳米塑料在汽车上应用的广泛性。二、车用烤漆涂料汽车烤漆的剥落与老化，是造成汽车美观程度变差的主要因素，其中又以老化为棘手且难以控制的变量。影响烤漆老化的因素很多，但其中最关键的当属太阳光中的紫外线，如同上一小节所述，紫外线容易使材料的分子链断裂，进而使材料性能老化，高分子塑料如是，有机涂料亦如是。更详细来说，因为紫外线会引起涂层中主要成膜物质的分子链断裂，形成非常活泼的游离

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