纳米提升汽车业 增创10亿美元市场

纳米技术在汽车产业的应用十分广阔，应用纳米技术可以提高汽车的安全、轻质、环保等性能。由于纳米材料比表面积大、催化效率高等特点，在汽车尾气及车内空气净化方面应用纳米技术，将使排放的气体更清洁、更环保；发动机应用纳米陶瓷复合材料，将使发动机更坚固，使用寿命更长；在安全防护方面应用纳米力敏传感材料、汽车防腐底漆、自洁功能面漆、保险杠、车内装饰用纳米改性高分子材料（阻燃等），可以极大地提高汽车寿命，改善汽车的安全性；各类电机中应用的新型纳米稀土永磁材料，汽车动力应用纳米新型太阳能电池，将进一步降低能耗，使能源更清洁，马力更强劲;由纳米粒子增强的轻质材料，将使汽车的重量更轻，强度更大；由纳米粒子增强的轮胎耐磨且可直接再生；用纳米技术改性的外壳油漆耐磨损并且无须洗涤；有自修补功能的涂层和纤维等等。

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。

纳米让汽车更安全
纳米电子传感器在汽车上的应用

现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件采用电子控制。例如电控喷油喷射、废气排放、刹车防抱死系统、自动空调、大灯亮度控制、驾驶座位自动调整、转向控制、电控悬挂等等。电子自动控制的工作要依赖传感器的信息反缋。据统计，目前一般轿车上大约有几十只传感器，高级轿车有100多个传感器，预计到2005年，全球的车用传感器需求量将达到12.7亿只。

传感器也是纳米技术应用的一个重要领域。随着纳米技术的进步，造价更低、功能更强的微型传感器将广泛应用在社会生活的各个方面。比如，将微型传感器装在汽车轮胎中，可制造出智能轮胎，这种轮胎会告诉司机轮胎何时需要更换或充气；还有些可承受恶劣环境的微型传感器可放在发动机汽缸内，对发动机的工作性能进行监视。

随着纳米电子技术的发展，传感器技术也得到了促进和发展。传感器已经利用到纳米电极技术，该技术利用纳米电极对，将极小（纳米级）的敏感元件封闭在一对纳米电极上，实现单电子检测，可显著提高测试精确度，同时又具有体积小、重量轻、可靠性和耐用性高、价格便宜的优点。该技术的一个很重要应用就是酒精传感器，采用纳米电极对制造的酒精传感器具有体积小、重量轻、探测酒精信号灵敏的优点，可以装于汽车上，检测车内的酒精含量，当浓度超过一定的量值时，汽车就会自动报警，使用者不能发动汽车。若传感器被人为拆除，则汽车同样不能被发动，这就可以实现由酒后开车的被动防护向主动防护的转变。

纳米阻燃塑料、增强塑料、抗紫外线老化塑料等在汽车上的应用

科研人员发现，当微粒达到纳米量级时会出现一种新奇现象，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁、热力学等性能呈现出与传统材料的极大差异。根据纳米材料的结构特点，把不同材料在纳米尺度下进行合成与组合，可以形成各种各样的纳米复合材料，例如纳米功能塑料。

一般塑料常用的种类有PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)、ABS(方烯腈-丁二烯-苯乙烯)、PA(聚酰胺)、PC(聚碳酸酯)、PS(聚苯乙烯)等几十种，为满足一些行业的特殊需求，用纳米技术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，重量更轻。随着汽车应用塑料数量越来越多，纳米塑料很可能会普遍应用在汽车上。

这些纳米功能塑料最引起汽车业内人士注意的有阻燃塑料、增强塑料、抗紫外线老化塑料、抗菌塑料等。

阻燃塑料是以纳米级超大比表面积的无卤阻燃复合粉末为载体，经表面改性后制成的阻燃剂，利用纳米技术添加到聚乙烯中。由于纳米材料的粒径超细，经表面处理后具有相当大的表面活性，当燃烧时其热分解速度迅速，吸热能力增强，从而降低基材表面温度，冷却燃烧反应。

同时当阻燃塑料燃烧时，超细的纳米材料颗粒能覆盖在被燃材料表面并生成一层均匀的碳化层，此碳化层起到隔热、隔氧、抑烟和防熔滴的作用，从而起到阻燃作用。这种阻燃塑料具有热稳定性高、阻燃持久、无毒性等优点，消除了普通无机阻燃剂由于添加量大对材料力学性能和加工材料污染环境带来的缺陷，可以取代有毒的溴类、锑类阻燃材料，有利环境保护。

目前汽车设计要求规定，凡通过乘客座舱的线路、管路和设备材料必须要符合阻燃标准，例如内饰和电气部分的面板、包裹导线的胶套，包裹线束的波纹管、胶管等，使用阻燃塑料能够轻易达到要求。

增强塑料是在塑料中填充经表面处理的纳米级无机材料蒙脱土、CaCO3、SiO2等，这些材料对聚丙烯的分子结晶有明显的聚敛作用，可以使聚丙烯等塑料的抗拉强度、抗冲击韧性和弹性模量上升，使塑料的物理性能得到明显改善。增强塑料可以代替金属材料，由于它们比重小，重量轻，因此广泛用于汽车上可以大幅度减轻汽车重量，达到节省燃料的目的。

这些用纳米技术改性的增强增韧塑料，可以用于汽车上的保险杠、座椅、翼子板、顶篷盖、车门、发动机盖、行李舱盖等，甚至还可用于变速器箱体、齿轮传动装置等一些重要部件。

抗紫外线老化塑料是将纳米级的TiO2、ZnO等无机抗紫外线粉体混炼填充到塑料基材中。这些填充粉体对紫外线具有极好的吸收能力和反射能力，因此这种塑料能够吸收和反射紫外线，比普通塑料的抗紫外线能力提高20倍以上，据报道这类材料经过连续700小时热光照射后，其扩张强度损失仅为10%，如果作为暴露在外的车身塑料构件材料，能有效延长其使用寿命。

纳米使汽车更舒适
纳米抗菌塑料与车用塑料橡胶

抗菌塑料是将无机的纳米级抗菌剂利用纳米技术充分地分散于塑料制品中，可将附着在塑料上的细菌杀死或抑制生长。这些纳米级抗菌剂是以银、锌、铜等金属离子包裹纳米TiO2、CaCO3等制成，可以破坏细菌生长环境。据介绍无机纳米抗菌塑料加工简单，广谱抗菌，24小时接触杀菌率达90%，无副作用。

高效的抗菌塑料可以用在车门把手、方向盘、座椅面料、储物盒等易污垢部件，尤其是公交车扶手采用无机纳米抗菌塑料，可以大大减少疾病的传播，改善车上卫生条件。

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，如碳黑、白碳黑等补强填充剂、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就相当密切，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他纳米粒子作为助剂，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。

纳米技术可以提高轮胎的热稳定性、光稳定性和化学稳定性，从而地面摩擦系数大大提高，轮胎的稳定性、防滑性、高抓地性能都会比普通轮胎有显著提高。同时轮胎的寿命延长，由于纳米技术于高分子材料之间接枝作用和体积效应的产生使高分子密度非常之大，从而使轮胎寿命比普通轮胎有数倍提高。环保型、低噪声性能体现在：轮胎的磨损和废轮胎都会造成环境的污染，而纳米改性轮胎由于体积效应的产生，耐磨性非常强，降低轮下透过胎内上传的噪声，开起车来倍觉舒适宁静，犹如坐在高级轿车上一样。

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、活动车顶及其他保护胶条、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。

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。

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，如上所述，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基，这些游离基进一步引起整个主要成膜物质分子链的分解，最后导致涂层老化变质。对有机涂层而言，由于紫外线是所有因素中最具侵蚀性的，因此若能避开紫外线的作用，则可大幅提高烤漆的耐老化性能。目前最能有效遮蔽紫外线的材料，首推TiO2纳米粒子。

TiO2纳米粒子是20世纪80年代末发展起来的主要纳米材料之一。纳米TiO2的光学效应随粒径而变，尤其是纳米金红石型TiO2具有随角度变色效应，是汽车烤漆中最重要和最有发展前途的改质材料。纳米TiO2对紫外线的屏蔽以散射为主，粒径是影响散射能力的重要因素之一。由理论推导得出，纳米TiO2粒径在65～130nm之间，其对紫外线的散射效果最佳。

而采用纳米油漆，以防止碰撞时小刮痕的出现，汽车制造商戴姆勒－克莱斯勒公司日前宣布，从2003年年底起采用一种汽车车身喷涂用的新型纳米油漆，以防止碰撞时小刮痕的出现。该公司科研人员经过4年多研发出的这种纳米油漆，可以在喷涂后的车身上形成一层致密网状结构，其间含有许多微小陶瓷颗粒。通过对150辆汽车进行的试验表明，这种纳米漆不仅光亮度比传统油漆高出40%，而且当车身与其他物体轻微碰撞时，其防止刮痕出现的性能也要比传统油漆好得多。新油漆将于近期在奔驰E、S及SLK等多个系列轿车上采用，并从2004年开始在该公司其它所有系列轿车上均采用这种新型纳米油漆。

汽车环保需要纳米改进
车用排气触媒材料

随着中国等发展中国家经济持续大幅成长，全球汽车保有量也逐年攀升，而所衍生的汽车排气污染问题日益严重，已成为各国政府关注的重要问题。加装触媒转换器，是目前解决汽车排气污染的主要方式。用于汽车排气净化的触媒有许多种，而主流是以贵金属铂、钯、铑作为三元触媒，其对汽车排放废气中的CO、HC、NOx具有很高的触媒转化效率。但贵金属具有：(1)资源稀少、取得不易、价格昂贵；(2)易发生Pb、S、P中毒，而使触媒失效等特性。因此在保持良好转化效果的前提下，部分或全部取代贵金属，寻找其他高性能触媒材料已成为必然的趋势。

以纳米级稀土材料取代贵金属作为触媒，是目前的发展趋势之一。稀土元素功能独特，原子结构特殊活性高，几乎可与所有元素发生作用，因而具有独特的触媒作用和性质。将其加入贵金属触媒中可大幅提高贵金属触媒的抗毒性能、高温稳定性，同时可降低贵金属用量，因此稀土元素可说是相当理想的汽车排气触媒或其助剂。另外，由于材料制成纳米颗粒后具有表面和小尺寸等效应使材料性能发生突变，从而产生其他更为优异的性能，因此将稀土材料制成纳米粒子，应用于汽车触媒转换器将有着其他材料无法比拟的效果。

车内空气净化，针对日益严重的车内空气污染问题，开发具有实用化的纳米光催化技术，在短时间内对甲醛等有害气体有效的降解，制造可以车载的净化模块，应用汽车本身的动力，实现对空气的净化。

自清洁防雾玻璃

光催化技术的出现归功于纳米技术，让特定波长的光照射一种高科技新型复合纳米材料，可激发出"电子-空穴"和周围的水、氧气发生反应后，就具有了极强的还原能力，能将空气中的甲醛、苯、二氧化硫等污染物直接分解成无毒无味的物质，从而达到净化空气的目的，改变传统的离子空气净化器只能清新空气，无法消除大部分污染物的状况。

纳米改性的电池系统

据了解，对于使用汽油以外的其他环保型燃料作动力的新技术汽车产品的研发，世界大型汽车公司目前都在积极探索。通用、丰田、奔驰和福特都研发出了不同技术含量的燃料电池车。目前，关于电动汽车有纯电池驱动电动汽车(BEV，简称纯电动汽车)、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池汽车(FCV)三种说法。

立足于氢能基础上的燃料电池汽车，以氢为燃料，通过化学反应产生电流并排出水，能实现可循环利用和零排放。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。然而更令人注意的是，纳米技术应用在燃料电池上，可以节省大量成本。因为纳米材料在室温条件下具有优异的储氢能力，根据实验结果，在室温常压下，约2/3的氢能可以从这些纳米材料中得以释放，可以不用昂贵的超低温液氢储存装置。燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要作用。美国Arthur D.Little公司最新估计，2007年燃料电池在运输方面的商业价值将达到90亿美元。

由于燃料电池汽车具有安静、高效和零污染（或低污染）排放的特点，同时续驶里程完全可以和内燃机汽车相媲美，具有结束内燃机汽车百年统治地位的潜力。所以，世界汽车发达国家的汽车公司都在政府的支持下除了研制EV、HEV以外，竞相研制燃料电池汽车。日本预测，2010年，本土将有5万辆燃料电池客车上路，为此，日本政府将投资3180万美元推动这一计划。

近十年来，世界各国纷纷加快了对新一代洁净能源汽车的研发与生产，各大汽车巨头对此投入重金——美国通用公司每年为此投入3亿美元，而克莱斯勒公司更是高达5亿欧元。同样纳米正负极材料的引入，可以极大地提高锂离子电池安全性，进一步提高镍氢电池的功率密度和一致性，提高动力电池（镍氢电池和锂离子电池）的总体性能。目前纳米技术改性的锂离子电池负极材料的容量已经可以达到600mA/g，大于800 mA/g的材料正在进一步的研发当中。

纳米引发润滑领域的革命

据统计，目前全世界每年因摩擦磨损造成的资源浪费已超过上千亿美元，世界能源近一半消耗在摩擦磨损上。今天，我们就将向您介绍一种利用液相纳米组装分散技术从而达到节能和环保要求的纳米润滑油。

也许您会问，润滑油为什么会如此重要呢？这就要从摩擦开始说起。如果我们的眼睛能像显微镜一样去观察发动机或齿轮的金属表面的话，您就会发现它并不像您想象的那样光滑，而是非常粗糙的，充满了0.5-2微米的缝隙或微孔，就像凹凸不平连绵不断的山脉和纵横交错的沟壑。自然，当机件运转时就会产生摩擦。

摩擦损失了世界约三分之一的一次能源，磨损是造成材料与设备破坏和失效的三种最主要的形式之一。而润滑则是降低摩擦、减少或避免磨损的最有效技术。发展具有良好抗磨损性能，有高承载能力并且对磨损表面具有一定修复功能而且对环境无污染或少污染的润滑剂，是化学和材料科学及摩擦学的重要课题之一。

纳米润滑油是用科学方法改变了原润滑油分子结构的纯石油产品，运用"纳米技术使原来的油分子变得非常微小，这种新的小油分子所针对的是金属表面，而不是润滑油本身，按一定比例加入原润滑油后，原润滑油仅作为载体将其带到金属表面而发挥神奇作用。

正是这点的不同，而引起一系列的不同。它不是人们认为的润滑油添加剂、处理剂、稳定剂、增润剂或减磨剂。由于纳米润滑油这些极微小的直径仅10纳米、带负极电荷的烃类分子和金属表面正电荷的相互吸附作用，它能完全充填金属表面的微孔，并形成单分子有机膜，这些成千上万如液态的小滚珠能最大限度地减少金属与金属间微孔的摩擦。与高级润滑油或固态添加剂相比，其极压可增大3～4倍，磨损面减少16倍。由于金属表面得到了处理，减少了摩擦磨损，能耗可大大减少，并使机械寿命成倍增长。有效减少磨擦磨损，延长引擎寿命；降低能耗，降温降噪，超强抗磨，延长设备使用寿命。

专家指出，“这种全新概念的纳米纯烃类单分子润滑技术将给磨损部件的设计与性能带来革命性的变革”。液态润滑油可以牢牢地吸附于金属表面，形成一层极其坚韧的单分子磁性保护膜，从而具有了一系列新概念上的超强润滑抗磨性能。与过去的润滑油相比，它在抗磨性、抗氧化性、热稳定性、耐高温高压等性能上都有大幅度提高，而又消除了原有产品易沉淀、积炭，或易分解形成酸腐蚀等弊端，可以大大减少零部件的更换和能源消耗，成倍延长设备使用寿命，成为二十一世纪最有发展前途的新型润滑材料，被称为“润滑领域的一场革命”。

综上所述可知，未来汽车技术的发展，有极大部分与纳米技术密切相关,当然，若能将汽车的所有部位都纳米化，其附加价值必然大增，相对而言，其成本与售价也将大幅提高。因此，迄今为止，真正纳米化且商业化的汽车零件仍很有限。但毋庸置疑，汽车工业是现代工业的重要标志，纳米技术应用于未来汽车技术的发展将是一个必然趋势，也定会成为汽车技术升级的保证。相信在不久的将来，纳米技术必将在汽车的制造领域得到更广泛地应用。