18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303王瑛韫 汽车上的生物基材料 论生物基材料“环保之美”&“性能之美” 《材料美学》课程综述 机械与动力工程学院 5090209303 王瑛韫 -1-
18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303 王瑛韫 - 1 - 汽车上的生物基材料 ---论生物基材料“环保之美”&“性能之美” 《材料美学》课程综述 机械与动力工程学院 5090209303 王瑛韫
18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303王瑛韫 目录 摘要… -3 1.0背景概述 3 1.1汽车行业- 3 1.2生物基材料 -3 1.3历史发展 3 1.4材料之美 2.0研究进展 5 2.1常用的生物基材料 5 2.2汽车部件上的应用 -5 2.3汽车企业生物基材料使用举例 6 2.4生物基材料汽车应用一览表- -11 3.0前景展望 -11 3.1发展动力及潜力- -11 3.2困难与挑战 -12 4.0总结 -13 参考文献 -13 -2-
18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303 王瑛韫 - 2 - 目录 摘要------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3 1.0 背景概述------------------------------------------------------------------------------------------------------------3 1.1 汽车行业-----------------------------------------------------------------------------------------------------3 1.2 生物基材料--------------------------------------------------------------------------------------------------3 1.3 历史发展-----------------------------------------------------------------------------------------------------3 1.4 材料之美-----------------------------------------------------------------------------------------------------4 2.0 研究进展------------------------------------------------------------------------------------------------------------5 2.1 常用的生物基材料----------------------------------------------------------------------------------------5 2.2 汽车部件上的应用----------------------------------------------------------------------------------------5 2.3 汽车企业生物基材料使用举例------------------------------------------------------------------------6 2.4 生物基材料汽车应用一览表--------------------------------------------------------------------------11 3.0 前景展望----------------------------------------------------------------------------------------------------------11 3.1 发展动力及潜力------------------------------------------------------------------------------------------11 3.2 困难与挑战-------------------------------------------------------------------------------------------------12 4.0 总结-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------13 参考文献----------------------------------------------------------------------------------------------------------------13
18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303王瑛韫 摘要 本文将综述生物基材料在汽车行业的应用。介绍了对不同生物基材料在不同汽车零部件上的 运用，总结了一部分知名汽车制造商几款运用了生物基材料的车型并分别加以分析，从而对 目前生物基材料在汽车上的运用进行一个梳理。此外，本文还通过分析生物基材料优势和面 临的挑战，对其在汽车行业的应用前景进行了剖析。 本文旨在通过介绍生物基材料的性能和在汽车上各种各样的应用，来彰显作为一种天然材料 的“环保之美”和“性能之美”。 1.0背景概述 1.1汽车行业 汽车行业是一个拥有较长历史发展进程的行业，极大地改变了人们的生活工作方式。而汽车 行业的发展也伴随着大量先进技术的出现和发展，包括燃料、机械、电子等。近年来，从全 球总体情况来说，尤其是在欧美市场，汽车行业经历了2008-2009年行业的整体衰退，之后 又慢慢走上了复苏之路。 尽管如此，汽车行业依旧是一个经济支柱行业。以美国为例，其汽车行业2011年总额达到 了370亿美金，而其中占到最大一部分的价值则是来自于汽车零部件。这就意味着，即便只 是在汽车的某个小零部件上投入开发一种新的科技技术或新的材料运用，比如生物基材料， 并加以成功的应用，那么其带来的收益也将是巨大的。 1.2生物基材料 生物基材料产品是一种全部或主要由生物材料制成的商业或工业产品（除了食品和饲料）。 而所谓的生物经济则是包括生物燃料、生物基材料等。许多工业领域都涉及到了生物经济的 运用，比如农业、能源行业、汽车行业、航空航天、T等等。 生物基材料是指使用了可再生农业或林业材料的工业产品，包括木材、草、农作物、废材等， 用于替代纤维、连接件、加强纤维、塑料及其他传统材料。而在实际运用中，生物基材料往 往和传统材料结合在一起使用，比如用废料再利用和传统材料一起制成产品，或者生物基复 合材料夹在传统材料中取代传统的玻璃加强纤维来充当加强纤维。 1.3历史发展 早在在20世纪30年代，生物基材料酒杯应用在汽车零部件的生产和组件。亨利·福特在油 漆，搪瓷，模压塑料部件中开始采用生物基材料。福特还在各种部件中使用了大豆，亚麻， 木浆，棉，亚麻，苎麻。而在1941年，福特推出了一款车，其车身面板使用以大豆为基础 的塑料。下图显示了福特著名的“大豆车”，其中集成了许多生物基材料。该车的车身集成 了秸秆，亚麻，豆粕，而其轮胎则应用了黄花乳胶。在右边的图像显示，福特正在展示其生 -3-
18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303 王瑛韫 - 3 - 摘要 本文将综述生物基材料在汽车行业的应用。介绍了对不同生物基材料在不同汽车零部件上的 运用，总结了一部分知名汽车制造商几款运用了生物基材料的车型并分别加以分析，从而对 目前生物基材料在汽车上的运用进行一个梳理。此外，本文还通过分析生物基材料优势和面 临的挑战，对其在汽车行业的应用前景进行了剖析。 本文旨在通过介绍生物基材料的性能和在汽车上各种各样的应用，来彰显作为一种天然材料 的“环保之美”和“性能之美”。 1.0 背景概述 1.1 汽车行业 汽车行业是一个拥有较长历史发展进程的行业，极大地改变了人们的生活工作方式。而汽车 行业的发展也伴随着大量先进技术的出现和发展，包括燃料、机械、电子等。近年来，从全 球总体情况来说，尤其是在欧美市场，汽车行业经历了 2008-2009 年行业的整体衰退，之后 又慢慢走上了复苏之路。 尽管如此，汽车行业依旧是一个经济支柱行业。以美国为例，其汽车行业 2011 年总额达到 了 370 亿美金，而其中占到最大一部分的价值则是来自于汽车零部件。这就意味着，即便只 是在汽车的某个小零部件上投入开发一种新的科技技术或新的材料运用，比如生物基材料， 并加以成功的应用，那么其带来的收益也将是巨大的。 1.2 生物基材料 生物基材料产品是一种全部或主要由生物材料制成的商业或工业产品（除了食品和饲料）。 而所谓的生物经济则是包括生物燃料、生物基材料等。许多工业领域都涉及到了生物经济的 运用，比如农业、能源行业、汽车行业、航空航天、IT 等等。 生物基材料是指使用了可再生农业或林业材料的工业产品，包括木材、草、农作物、废材等， 用于替代纤维、连接件、加强纤维、塑料及其他传统材料。而在实际运用中，生物基材料往 往和传统材料结合在一起使用，比如用废料再利用和传统材料一起制成产品，或者生物基复 合材料夹在传统材料中取代传统的玻璃加强纤维来充当加强纤维。 1.3 历史发展 早在在 20 世纪 30 年代，生物基材料酒杯应用在汽车零部件的生产和组件。亨利·福特在油 漆，搪瓷，模压塑料部件中开始采用生物基材料。福特还在各种部件中使用了大豆，亚麻， 木浆，棉，亚麻，苎麻。而在 1941 年，福特推出了一款车，其车身面板使用以大豆为基础 的塑料。下图显示了福特著名的“大豆车”，其中集成了许多生物基材料。该车的车身集成 了秸秆，亚麻，豆粕，而其轮胎则应用了黄花乳胶。在右边的图像显示，福特正在展示其生
18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303王瑛韫 物基塑料的强度和韧性，挥舞着斧头敲击他个人的汽车后备箱，而这个后行李箱盖则已经被 加入了部分生物基塑料。 Figure 3:Ford's 1941 Soybean Car Source:Henry Ford Museum 2011 几十年后，在20世纪60年代，椰子纤维被应用于汽车座椅，而木粉填料则被用于聚丙烯复 合内饰件。生物基材料汽车零部件的使用在20世纪90年代初取得了极大的发展。其中包括 用植物纤维复合材料来取代玻璃纤维。在此期间，生物基材料技术的进步大多涉及非结构性 的内部应用。生物基材料引入汽车，首先是在欧洲，后来在北美，并用于制造如门板，包装 托盘，座椅靠背，后备箱内衬等汽车部件。 1.4材料之美 生物基材料在汽车上的运用可谓是一种“材料之美”。 “思维之美” 首先这是一种新奇的概念，突破了我们“汽车就是用钢铁做的”这种传统思维： “性能之美” 其次，生物基材料在不少性能上有着较其传统材料更为优越的表现，而这些正是由于其特殊 的自然机理： “环保之美” 另外，生物基材料还彰显着环保之美。生物基材料的应用可以减少碳排放，实现汽车轻量化， 也便于废气后的处理，更能废物才利用。这些优越的特性在环保问题日益突出的今天显得尤 为宝贵。 本文将回顾总结一下现在已经被应用在汽车中的生物基材料，涉及不同生物基材料、不同汽 车部件以及不同汽车制造厂商，从而对目前的生物基材料在汽车行业中运用的情况有个大体 的了解。此外还对未来生物基材料在汽车行业中进一步应用的前景进行了展望
18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303 王瑛韫 - 4 - 物基塑料的强度和韧性，挥舞着斧头敲击他个人的汽车后备箱，而这个后行李箱盖则已经被 加入了部分生物基塑料。 几十年后，在 20 世纪 60 年代，椰子纤维被应用于汽车座椅，而木粉填料则被用于聚丙烯复 合内饰件。生物基材料汽车零部件的使用在 20 世纪 90 年代初取得了极大的发展。其中包括 用植物纤维复合材料来取代玻璃纤维。在此期间，生物基材料技术的进步大多涉及非结构性 的内部应用。生物基材料引入汽车，首先是在欧洲，后来在北美，并用于制造如门板，包装 托盘，座椅靠背，后备箱内衬等汽车部件。 1.4 材料之美 生物基材料在汽车上的运用可谓是一种“材料之美”。 “思维之美” 首先这是一种新奇的概念，突破了我们“汽车就是用钢铁做的”这种传统思维； “性能之美” 其次，生物基材料在不少性能上有着较其传统材料更为优越的表现，而这些正是由于其特殊 的自然机理； “环保之美” 另外，生物基材料还彰显着环保之美。生物基材料的应用可以减少碳排放，实现汽车轻量化， 也便于废气后的处理，更能废物才利用。这些优越的特性在环保问题日益突出的今天显得尤 为宝贵。 本文将回顾总结一下现在已经被应用在汽车中的生物基材料，涉及不同生物基材料、不同汽 车部件以及不同汽车制造厂商，从而对目前的生物基材料在汽车行业中运用的情况有个大体 的了解。此外还对未来生物基材料在汽车行业中进一步应用的前景进行了展望
18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303王瑛韫 2.0研究进展 2.1常用的生物基材料 生物基材料应用于汽车零部件有几种方法。除了传统用途，比如木饰，棉纺织品，皮革座椅， 还有两个使用生物基材料的主要方法：其一是作为增强填料，其二是制成聚合物。生物基材 料可以用来加强或填充结构，包括植物纤维（如麻，洋麻，亚麻，从干、黄麻），以及以各 种木材作为来源或作物残余物的纤维或叶纤维，如剑麻，蕉麻，香蕉纤维。 生物基聚合物来源包括各种大豆、蓖麻子、玉米和甘蔗。这些原料通常是发酵并通过一系列 转换来变成可以用在塑料复合材料的聚合物。就像他们所取代的传统材料，这些生物基聚合 物可以经历挤出、吹塑、模压、注塑、成型、发泡、热成型等加工工艺。 天然纤维填料与增强物是被应用增长最快的聚合物添加剂。在过去的15年中，天然纤维复 合材料已在欧洲汽车业被应用：而在最近几年，这些材料已经获得也在美国得到发展，像蓖 麻和大豆基多元醇在室内泡沫中的使用也己经变得更加普遍。 生物基材料已在一些汽车零部件种得到测试和采用。比如：亚麻、剑麻、大麻用于车门内饰、 座椅靠背的衬里、包货架和地板面板。椰子纤维和生物基泡沫材料已被用于使座椅底部、回 靠垫、头枕。棉等其他天然纤维已被证明可以提供优越的隔音性能并被应用于内饰件。天然 乳胶通过使表面更柔软来提高内饰部件的安全性。蕉麻纤维则被用来制作地板下的车身面板 2.2汽车部件上的应用 采用生物基材料零部件己被用于世界各地的很多汽车制造商，包括奥迪、宝马、克莱斯勒、 菲亚特、福特、通用、本田、马自达奔、驰、欧宝、标致、雷诺、丰田、大众、沃尔沃。 最常见的已采用生物基材料的部件包括门板、座椅靠背、包盘、仪表板、顶棚、后备箱内衬 及其他内饰零件。另外还有一些外部使用生物基的应用。比如丰田已经使用天然纤维在其外 部轮胎罩和发动机罩下散热器末端水箱。另一生物基材料的外部应用的例子是在汽车的磁盘 刹车上使用亚麻纤维代替石棉纤维。此外，Rieder汽车在为奔驰车制造底板中，采用蕉麻纤 维以取代玻璃纤维起到增强作用。 近年来，汽车厂商也开始尝试将天然纤维复合材料应用在汽车结构部件中，而此前一直是使 用合成玻璃纤维，如储备芳纶来作为结构材料的。一些研究者感兴趣的天然纤维与纳米材料 相结合的开发有可能被用在汽车的结构部件。尽管在外观、下罩和结构的应用相对有限且仍 在不断研发中，但是他们作为一种优质技术和高附加值生物基材料的应用方向将会成为重要 的市场。 -5-
18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303 王瑛韫 - 5 - 2.0 研究进展 2.1 常用的生物基材料 生物基材料应用于汽车零部件有几种方法。除了传统用途，比如木饰，棉纺织品，皮革座椅， 还有两个使用生物基材料的主要方法：其一是作为增强填料，其二是制成聚合物。生物基材 料可以用来加强或填充结构，包括植物纤维（如麻，洋麻，亚麻，从干、黄麻），以及以各 种木材作为来源或作物残余物的纤维或叶纤维，如剑麻，蕉麻，香蕉纤维。 生物基聚合物来源包括各种大豆、蓖麻子、玉米和甘蔗。这些原料通常是发酵并通过一系列 转换来变成可以用在塑料复合材料的聚合物。就像他们所取代的传统材料，这些生物基聚合 物可以经历挤出、吹塑、模压、注塑、成型、发泡、热成型等加工工艺。 天然纤维填料与增强物是被应用增长最快的聚合物添加剂。在过去的 15 年中，天然纤维复 合材料已在欧洲汽车业被应用；而在最近几年，这些材料已经获得也在美国得到发展，像蓖 麻和大豆基多元醇在室内泡沫中的使用也已经变得更加普遍。 生物基材料已在一些汽车零部件种得到测试和采用。比如：亚麻、剑麻、大麻用于车门内饰、 座椅靠背的衬里、包货架和地板面板。椰子纤维和生物基泡沫材料已被用于使座椅底部、回 靠垫、头枕。棉等其他天然纤维已被证明可以提供优越的隔音性能并被应用于内饰件。天然 乳胶通过使表面更柔软来提高内饰部件的安全性。蕉麻纤维则被用来制作地板下的车身面板 2.2 汽车部件上的应用 采用生物基材料零部件已被用于世界各地的很多汽车制造商，包括奥迪、宝马、克莱斯勒、 菲亚特、福特、通用、本田、马自达奔、驰、欧宝、标致、雷诺、丰田、大众、沃尔沃。 最常见的已采用生物基材料的部件包括门板、座椅靠背、包盘、仪表板、顶棚、后备箱内衬 及其他内饰零件。另外还有一些外部使用生物基的应用。比如丰田已经使用天然纤维在其外 部轮胎罩和发动机罩下散热器末端水箱。另一生物基材料的外部应用的例子是在汽车的磁盘 刹车上使用亚麻纤维代替石棉纤维。此外，Rieder 汽车在为奔驰车制造底板中，采用蕉麻纤 维以取代玻璃纤维起到增强作用。 近年来，汽车厂商也开始尝试将天然纤维复合材料应用在汽车结构部件中，而此前一直是使 用合成玻璃纤维，如储备芳纶来作为结构材料的。一些研究者感兴趣的天然纤维与纳米材料 相结合的开发有可能被用在汽车的结构部件。尽管在外观、下罩和结构的应用相对有限且仍 在不断研发中，但是他们作为一种优质技术和高附加值生物基材料的应用方向将会成为重要 的市场