美国研制出“纳米钢材”实现汽车轻量化设计

发布时间：2014/6/9 0:06:38

汽车的车架结构通常都由钢板材料冲压而成，但随着各国对汽车燃效的要求日渐严苛，汽车行业不得不寻求新的材料方案。其中，可选的材料包括先进高强度钢材（AHSS）、轻量化铝合金、纤维增强复合材料等。而高强度钢材冲压过程并不方便；铝合金与纤维增强复合材料的成本又较高，其成本不仅指材料本身，还包括对原本的组装线进行工艺改装的花费。

汽车业内的材料专家和学术界人士一直在致力于开发所谓的第三代高强度钢——即具有足够的物理强度，又拥有良好的成型性。不过到目前为止，这类新材料尚未进入市场。

现在，一种名为“纳米钢材（NanoSteel）”的新材料出现了，该材料与其供应商同名，都为NanoSteel。顾名思义，它是一种拥有纳米结构的钢铁合金。纳米钢材在环境温度下具有很好的延展性，普通高强度钢在环境温度下非常脆，也就是说，纳米钢材拥有高强度钢所没有的冷成型（cold-forming）属性。

NanoSteel是一家来自于美国罗得岛州的普洛威顿斯市（Providence）的公司，目前该公司已经向通用汽车提供了新型高强钢合金样品。该公司还计划将新材料技术授权给行业其他供应商。

新钢材

“如今，当汽车设计师绞尽脑汁如何为汽车减重时，均会偏向于铝合金或复合材料，因为高强钢虽然强度够高，它的成型较困难”NanoSteel首席技术官Daniel Branagan表示：“我们希望在汽车中保留钢材，因此推出了NanoSteel纳米合金钢。这样一来，汽车设计师能够有更多的材料选择余地。”

他还指出，新材料中采用了创新合金成分，其中的纳米颗粒宽度不到100纳米。更重要的是，这款新材料可以在原有的生产线上制造出来，无需进行设备改造。

Branagan表示，NanoSteel纳米合金钢开发过程总共经历了20年左右。*初，其在美国能源部下的埃姆斯实验室（Ames Laboratory）进行纳米磁材料的研发，例如钕铁硼磁铁。

开发中的瓶颈

在2006年，Branagan及其团队遇到了技术瓶颈。当工程师将注意力集中在高强度钢的冷成型特性上时，他们发现，要提升这一能力则必须牺牲钢材的强度。Branagan指出：“我们可以采用纳米结构提升材料强度，但是，材料延展性不够的问题仍然无法解决。”

Branagan继续道：“随后，研究团队意识到当前所有的方案都进入了死胡同。钢铁合金在达到其熔点温度的80%-90%后，它的晶体颗粒会胀大。”在随后的几年中，研究团队终于发现了一种在高温下具有高延展性的材料机理。

基于新发现的纳米结构形成机理，同时可消除钢材料的脆性，这种钢材料使用了传统的生产工艺并避免了使用特殊的合金材料。新材料旨在使汽车制造商实现汽车轻量化，从而在保持安全性的同时降低燃料消耗。

目前，Nanosteel已开发出三种钢材料，其强度/拉伸率分别为950MPa/35%、120MPa/30%、160MPa/15%。

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