高強度鋁合金 通過節能降低環境汙染具有重要意義。在汽車材料領域,除了依靠零件薄壁化、中空化及小型化等方法節能外,主要的方法是材料的輕量化,所以輕量化材料的研究是目前國際上汽車材料領域最活躍的研究方向之壹。 目前輕量化材料主要采用各種高強度鋼,能夠降低汽車重量15%-20%。九十年代以來國外廣泛采用高比強度Al合金、Mg合金和塑料,其中最重要的輕量化材料是鋁合金,它具有塑性好、比強度高、耐腐蝕性好、韌性好、加工成本低和可延長使用壽命等優點,每使用1Kg的Al,可降低汽車重量2.25Kg。 美國每臺車的Al合金重量已經從70年代的30Kg增至90年代的90Kg。1996年Audi公司生產的全鋁A8轎車,采用Al合金擠壓車架,重量降低了35%,抗扭剛度增加了50%;1997年又生產了全Al車身的雙座敞篷汽車和雙座轎車。BMW公司1996年生產的5系列全鋁轎車,其車身、車架、橋殼、齒輪箱箱體和雙聯前軸都是由Al合金制造,整體剛度增加80%,據德國鋁業人士估計,僅使用Al車身,壹年就可節約運行費用2.5萬馬克。 另外,Honda、Nissan、Chrysler、BMW和Audi等公司都生產了全鋁發動機,它采用具有低熱膨脹系數、良好的高溫機械性能和耐磨性的過***晶鋁矽合金活塞;缸體、連桿和曲軸采用壓力鑄造纖維增強和顆粒增強鋁合金復合材料;車身采用Al-1%Si-0.5%Mg合金。這種合金在深沖成型時呈固溶態,塑性好;時效後,通過析出Mg2Si而增加強度。此外,采用管狀鋁材構成“空間立體構架”,其重量比鋼車身降低40%,成本只增加20%,汽車總重量和燃料費都降低10%以上。 通過改變合金組織提高鋁合金的強度,能夠降低鋁合金成本,使其得到更廣泛的應用。由於我國以生產低中檔轎車為主,所以這壹點對我國的汽車工業具有特殊的意義。 此類合金的重要特征是強度高、耐腐蝕和韌性好。非晶和納米晶高強度鋁合金通常采用粉末冶金方法制造(冷速為40K/s),采用真空或氫氣保護,在過冷液態溫度下壓制成型,制成的樣品密度接近100%。例如Al94V4Fe2合金,其基體中含有高密度晶界和過飽和Fe和V。由於Fe阻礙晶粒長大,其組織為納米晶+非晶。 在成型過程中,合金表面的氧化鋁膜被擠碎,在合金中呈彌散分布,因此該合金同時具有缺陷強化、固溶強化和彌散強化幾個方面的強化機制,而組織中的非晶則有力的改善了合金的韌性,該合金最高強度達到1390MPa,其它合金也存在類似的性能。這些合金的鋁含量在85%-94%之間,鋁含量越低,合金韌性越好,成本越高。由於上述合金需要在壓力下成型,所以用這些合金制造的零件應具有較簡單的形狀。 現在汽車發動機連桿使用的材料主要是中碳碳素鋼和合金鋼,其強度在600-1000MPa之間。如果高強度鋁合金的強度達到700-900MPa,則鋁合金的比強度是中碳鋼的3倍,而其重量只有原有重量的1/3,這不但能夠提高發動機的工作效率和節約能源,而且由於連桿重量的減輕可降低發動機工作時的振動,從而提高發動機的使用壽命和可靠性。 2、儲氫合金 估計到2020年石油作為能源的比例將由目前的40%降至20%,所以需要研究替代能源。汽車未來能源除采用天然氣和液化氣以及各種雙燃料外,可采用太陽能、電能和氫能。 太陽能電池從材料角度出發,要解決非晶矽的低成本制造(本世紀末只能達到1w/0.2$)和光電轉換率低的問題(24%);電池儲能需要解決高效電池(低成本、儲電的高比能量和比功率及高儲電次數)的問題;而氫能則需要解決低成本分解水和氫氣儲存問題。 對於氫氣儲存問題通常采用儲氫合金解決,目前主要是鑭系(LaNi5),鈦系(TiFe和TiFeV)和鎂系(Mg2Ni)金屬間化合物,壹般能夠儲存比本身體積大1000倍以上的氫量。 這些合金的缺點是儲氫次數低(儲氫和放氫使其體積反復膨脹和收縮,導致合金粉化)、容易中毒和儲氫密度低。如果采用鋯鎳和銅鈦非晶合金儲氫,則由於它的非晶結構,不容易發生晶界開裂,從而避免形成粉末。但是壹般非晶合金在制造過程中需要急冷,因此很難制成大塊樣品,需要研制出具有高非晶形成能力的合金。 我們根據80年代末國外的文獻報道,研究了在鑭系、鋯系和鎂系非晶合金中加入其它組元(Al、Y和Co等)後的非晶形成能力。雖然不能達到文獻報道的通過壓力鑄造制成直徑10mm左右的鑄件的水平,但鑄造出了直徑大於5mm的非晶合金。以這些合金為基礎,有可能研究出長壽命的儲氫非晶合金,其性能指標預期可達到: a.儲氫能力達到200mm3/g; b.放電量50W/Kg; c.充放電次數大於500次; d.在100-150℃氫的蒸氣壓大於5MPa; e.壓力平臺溫度範圍在20-30℃之間。 通過解決水的低成本分解(目前也可通過電廠電力輸出低谷時富余的電力電解水)或由於汽油的價格的上漲(石油短缺),都可以導致氫燃料汽車的應用。因為氫燃燒後生成無害的水,所以該研究對於環境保護有著重要意義。
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