发布时间：2022-03-22所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 【摘要】根据近年来仿生材料在汽车不同部位的应用，重点介绍了 3 种仿生材料：多极次层状有序结构材料、发泡材料和防雾涂层材料，并对这 3 种材料在车身上的应用现状以及未来发展前景进行了分析。挖掘分析了当前汽车前沿材料技术文献，提出了四种自修复自适应、仿变色
【摘要】根据近年来仿生材料在汽车不同部位的应用，重点介绍了 3 种仿生材料：多极次层状有序结构材料、发泡材料和防雾涂层材料，并对这 3 种材料在车身上的应用现状以及未来发展前景进行了分析。挖掘分析了当前汽车前沿材料技术文献，提出了四种自修复自适应、仿变色龙自感知变色材料、仿生光电材料和仿生蜘蛛材料技术研究为当前汽车仿生材料研究的热点，总结了在未来应用于汽车上的仿生材料趋势。
主题词：汽车 仿生材料 结构功能 未来趋势
1 引言
仿生材料是指模仿生物各种特点或特性而开发的材料，其核心理念在于：借鉴自然生物体与生物材料的结构自适应、界面自清洁、界面自感知、能量自供给与转化的基本原理，发展仿生新型结构材料、新型智能界面材料和新型物质能量转化材料[1] 。仿生材料学类似于形态仿生、功能仿生和结构仿生，是仿生学的一个重要分支。随着材料科学研究的进步，仿生材料学已经发展成为了一门涵盖材料科学、信息科学、结构力学、数学和工程技术等的交叉学科，而仿生材料应用领域也在不断扩大[2] 。
使用传统材料的汽车研发，无论从外观上还是性能上都发展到了一个较为成熟的阶段，这就使得汽车性能各方面要在传统材料的基础上取得重大突破变得十分困难。因此，仿生材料学开始应用于汽车领域，仿生材料的兴起也会助推汽车发展产生质的飞跃[3] 。
目前，仿生材料学还处在快速发展阶段，动植物仿生拥有范围广、跨度大的特点，主流研究的仿生材料分为：生物仿生材料、纳米仿生材料、智能仿生材料、结构仿生材料和高分子仿生材料。每一种类别，按照其动植物仿生点不同，又可以分出更细致类别。
本文对部分具有代表性且已应用于汽车领域的仿生材料进行了概述和洞察，对在汽车上应用具有发展潜力的仿生材料进行展望。
2 常见车用仿生材料举例
2.1 鲍鱼壳-多级次层状有序结构材料
2.1.1 鲍鱼壳生物结构特点与启示
几十亿年进化历程，使得一些生物能够以简单完善的方式解决许多复杂问题，例如鲍鱼这种软体生物就能利用人们通常认为作用不大、极简单的物质-碳化钙产生超强度的鲍鱼壳来保护自己。在显微镜下对鲍鱼壳进行观察后，发现它是由一层层超薄的碳化钙，通过厚度不足亿分之一米的有机蛋白基质连接在一起，构成类似“砖-泥”的有机-无机层层交替有序结构，如图1所示。这种有机-无机层状的交替结构，可应用于车用纳米结构材料中，克服了纳米材料在组装过程中的团聚问题，规整取向了二维碳酸钙纳米片层;同时交替结构中丰富的界面还容易形成裂纹偏转，从而抵抗裂纹的扩展[4] 。
2.1.2 应用现状及发展前景
由于鲍鱼壳扁平，非常坚固，同时受到鲍鱼壳的多级次层状结构增强增韧机制启发：鲍鱼壳排列有序的结构能使碳化钙强度增强20倍。因此，换作其他性能更好的材料，利用同样特点去设计，应该也能获得倍数的性能增强。美国普林斯顿大学就根据鲍鱼壳这一材料特性，研制出了一种新型陶瓷材料—铝分子充满在碳化硼分子间，其中铝分子的作用就如同鲍鱼壳中的有机蛋白基质一样，起到连接作用[5] 。美国军方已将这种材料运用到装甲运输车上，并进一步打算应用于坦克外壳，使其更加坚固。
另外，将该种鲍鱼壳仿生材料应用于乘用车和商用车的车身外壳制造上也是将是很值得研究的热点题目。通过选择合适的层间材料，结合多级次的层状结构设计，可以使得车身整体在较高的强度下具有一个较小的质量，符合当前汽车轻量化和安全性的发展要求。
2.2 哺乳动物和鸟类骨骼-发泡材料
2.2.1 哺乳动物和鸟类骨骼的生物学结构特点与启示
鸟类能在天空中飞行，与其独特的身体结构有极大的联系。宝马公司的轻质专家在对鸟类骨骼研究时发现，鸟类的骨骼轻盈，而且十分的坚实，在它们的骨骼里没有骨髓，存在着空隙，而且在空隙里面是空气。正是由于这样的骨骼构造使得鸟类获得了足够的浮力。这与内部具有大量气泡的发泡材料类似，发泡材料具有质量轻、省料隔热、隔声、吸收能量和缓冲振动的优点[6] 。随着材料科技发展，发泡材料的发展符合汽车轻量化、低碳化提出的轻质、节油、安全和环保一系列高标准要求。
2.2.2 应用现状及发展前景
低成本和轻量化已成为汽车工业设计主流方向。铝是进一步降低汽车质量的主要材料，具有密度小、相对轻、易塑型、成型、抗腐蚀和导热系数高的特点。而铝合金泡孔组织结构零部件，其强度密度比极佳，向铝模具内充气或把将要发生化学反应的小颗粒注入铝模具，可形成发泡铝多孔组织。除发泡金属外，发泡塑料材料表现也极为出色。聚氨酯发泡材料和发泡聚丙烯材料等多种发泡材料已经量产，并应用于汽车内饰件，如仪表盘、汽车坐垫靠背、车门扶手等多种汽车零部件。同时，微孔聚氨酯泡沫塑料还用作车底板减振垫，以代替橡胶材料隔离车体与框架，以改善驾乘体验。
作为一种工艺简单，低成本材料，同时在吸收能量、缓冲振动和减少噪音方面有着不错表现，发泡材料在汽车生产中有良好的前景，同时内部大量的泡孔结构，一定程度上也减少了原材料的投入，有利于节约资源。由于具有多项优点，发泡材料在未来会被更广泛的应用于车身部件制造。
2.3 荷叶-防雾涂层材料
2.3.1 荷叶的植物学微观结构特点与启示
为什么露水滴到荷叶表面上会形成圆圆的，纯洁透明的露珠，而沾到其他地方则会浸透或是散开呢?通过观察荷叶微观结构发现，这是由于荷叶表面的微米级突起以及纳米级的绒毛所共同产生的一种超疏水性。汽车驾驶室内，冬季或雨季时车内人员呼出的水蒸气在冷的玻璃表面会形成一层水雾，影响驾驶员视野，这种超疏水性为解决驾驶室玻璃雾化现象提供了一种思路，即通过在玻璃表面构建一种类似于荷叶表面的极其微小的粗糙结构，来提高玻璃的疏水性，进而减少小水珠在玻璃上的附着。除了这种玻璃防雾涂层材料的应用外，根据荷叶的这种超疏水特性，还研制出了专门应用于车身上的纳米涂层材料，这种仿生涂层有着类似于荷叶的自我清洁功能，能有效减少水在车身上的附着，防止腐蚀[7] 。
2.3.2 应用现状及发展前景
据统计每年发生的交通事故中，由于驾驶员视线受阻而造成的交通事故占有很大比例，因此为保证驾乘人员的安全，防止或消除车窗雾化是非常有必要的。
对于传统的乘用车来说,主要使用发动机的热风来消除玻璃的雾化,但是发动机热风除雾一般需要 10 min才能完全消除前档风玻璃表面的雾;对于电动汽车来说,采用空调除雾或其他加热手段对玻璃加热除雾,都需要耗费不少的电能;据国外相关厂商测试,开启空调除雾时,电动消耗的电能会增10 %~15 %,会导致缩短电动车的续驶里程[8] 。而采用这种仿荷叶现象的涂层材料，则可以完美解决上述问题。目前已经有一部分企业开始推出相关产品，超疏水涂层材料已经开始了产业化。
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汽车玻璃防雾涂层材料的应用不仅可以减少传统汽车热风除雾需要的时间，提高行车安全性，还能节省电动汽车除雾消耗的电能，提高电动车的续驶里程。当前中国大力发展新能源汽车尤其是纯电动汽车的背景下，未来道路上主流的车辆必然是电动汽车，其数量也必然大幅且快速的增长。而使用防雾涂层材料不仅提高了电动汽车在雾天以及一些恶劣环境行驶下的安全性，同时也相当于“优化”了电动汽车的续驶里程。因此，防雾涂层材料未来的应用市场将会非常广阔。
3 未来可用于汽车的仿生材料
3.1 自修复自适应材料
3.1.1 自修复自适应材料的生物学原理与启示
自修复自适应材料是近十几年来兴起的一种新型智能仿生材料，其核心源自于对自然界生物体损伤和愈合机制的研究，通过自动补给需要的物质和能量，进而实现材料内部或者外部损伤的自修复与自愈合。美国宾夕法尼亚大学的工程师此前就仿造骨骼愈合的原理，研发了1种可以在室温下修复金属的方法，称之为“愈合法”[9] 。通过在某些特定金属材料的表面镀上一层聚合物涂层，来形成了1种自修复自适应材料，当该材料制成的部件受损时，只需要对暴露在外的受损部位采用电镀技术，便能在短时间内复原。虽然并非真正意义上的“自愈法”，因为仍然需要外部的电源和原材料，但是其作者认为该方法与人体骨骼自愈的方法类似，与骨骼自愈一样，材料被修复的区域比受损以前更强壮(图2)，因为愈合部位会长出额外的金属材料。
3.1.2 自修复自适应材料的应用
在汽车使用过程中，由于种种原因车身表面经常会发生刮蹭掉漆，有时为了一小点刮蹭特地去补漆既花费金钱又耗费时间。如果将有自愈合特性的材料应用于车身上，再发生这样的刮蹭事件，车主只需给它一点时间，等待其复原就好，省时省力。另一方面，企业为了提高生产效率，车身的铸造越来越集中化、整体化，最著名的便是特斯拉的“一体化铸造”技术，几乎将整个车身的部件都集中在一次铸造中完成。虽然提高了生产效率，但同时也提高了维修成本，有时候一小个地方受损，就得换很大一块部件，拆卸也不方便。而如果一开始便利用自修复材料来铸造车身以及一些部件，便可完美解决这些问题。
3.2 仿变色龙自感知变色材料
3.2.1 变色龙自感知变色的生物学原理与启示
变色龙的变色伪装本领在自然界是非常出色的，它的表皮中有一种结构-皮肤感受器，其中有各种颜色的色素细胞，当外界环境变化时，皮肤感受器接收到外界信号，自动调整内部色素细胞，做出颜色改变[10] 。
3.2.2 仿变色龙自感知变色材料的应用应用到车辆内饰材料，可以根据乘车人员的心情或是要求来对内饰颜色做出改变;而应用到车辆外部则可以使汽车在某些特殊情况下通过改变自身的颜色具有一定的伪装隐蔽性。
3.3 仿生光电材料
3.3.1 植物光电作用的原理与启示
绿色植物内含有的叶绿体能够通过光合作用将太阳能转换为化学能，为自身提供能量。我国科学家根据叶绿体的功能研制出新型的染料敏化太阳能电池,能直接将 11 %的太阳能转化成电能,成本较低,使用寿命较长。美国普渡大学科学家利用纳米碳管和 DNA材料,仿生研制出具有自我修复能力的太阳能电池,这种电池中被破坏的染料可以不断得到更新,具有自我修复的能力,从而使用的年限大幅提高[10] 。
3.3.2 仿生光电材料的应用
当前电动汽车发展的一个瓶颈就是续驶里程不能满足用户需求，即用户的里程焦虑问题。里程焦虑问题反应的是电动汽车一次充电储存的电量不能够维持出行需求，当然从安全角度出发电量储存也不能过多，而如果引入仿生太阳能电池，则可以兼顾考虑到这2方面的问题，既不用一次储存太多电量，保证了安全，又能够通过“边跑边充电”的模式，使得汽车有一个较长的续驶里程。
3.4 仿生蛛丝材料
3.4.1 蜘蛛丝的生物学结构特点与启示
蜘蛛丝具有极好的机械强度，其强度远高于蚕丝、涤纶，而刚性和强度低于凯夫拉纤维和钢材，但其断裂能位于各纤维之首，高于凯夫拉纤维和钢材。与人造纤维相比，蜘蛛产生纤维的过程和纤维本身对人类和环境都是友好的，蜘蛛丝还具有高弹性、高柔韧性和较高的干湿模量，是人们已知的世界上性能最优良的纤维。
具备蜘蛛丝特征结构的蛋白质应具备与蜘蛛丝相近的力学性能。Dupont(Canada)公司发现山羊乳液中所含的奶蛋白同蜘蛛丝蛋白生产模式相同,他们将蜘蛛丝蛋白质生产的基因移植到山羊的乳腺细胞中，从山羊的乳液中提取类似蜘蛛丝的可溶性蛋白，研制出模仿蜘蛛吐丝的最新技术，开发出新一代动物纤维，被誉为生物钢材[11] 。
3.4.2 仿生蛛丝材料的应用
仿生蜘蛛丝材料的高柔韧性以及高弹性可以应用于汽车上的安全气囊。它可以近乎完美地匹配安全气囊材料的性能要求，即仿生蜘蛛丝材料具有强度高、质量轻、弹性好和化学稳定性高及柔软的特点。现阶段由于制造成本的原因，几乎还没有仿生蜘蛛丝材料在安全气囊上的应用的案例。未来，凭借其优良的性能以及完美的符合程度，随着材料技术的进步，仿生蜘蛛丝材料的制备成本会逐渐降低，大量应用于安全气囊的前景广阔。
4 结语
材料作为汽车构成的根本，对于整个汽车行业来说是非常重要的一环。在传统材料基础上，汽车性能再进一步所需的成本会大幅提高，而仿生材料的出现则打破了传统汽车材料的束缚，为汽车带来了更多的可能性。仿生学及仿生材料学的快速发展，势必也会带动汽车的发展。对于未来车用仿生材料的发展要求，应该要顺应整个汽车行业轻量化、低碳化和高安全性的发展，按照汽车所需，去精准研发，才能更好满足人们对于汽车性能越来越高的要求。——论文作者：郑旭 王童 陈轶嵩 金泰峰 罗耿
参 考 文 献
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