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应用在汽车上的智能材料

作者：Steven Ashley 来源：Ringer

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如果在停车场发现车上门板洼陷，自然就少不了要去一趟修车厂，也就不得不付一笔额外费用。但是如果你的车门板是采用一种叫做形状记忆合金（SMA）的材料或聚合物制成的话，可能就只需开回家，用个吹风机就能修补好——这种“智能材料”会在加热后恢复“初始记忆”的形状，所以能实现简单的自行修补。

要使上述场景真正在现实生活中出现，可能还需十年甚至更长的时间。但是这个理念还是很棒的。智能材料和技术可能实现的性能，对于众多材料科学家和汽车工程师而言，更是个很大的动力，驱使他们不断研究以开发智能材料的多种应用方式。

比如，在未来几年内，有些车型将配置以形状记忆合金制成的空气抑制板、内饰抓扶把手等零部件。能够自我修复的外饰涂料和以弹性体制成的能遮挡风雨的零部件，将变得越来越普遍。能够自行调整的主动减振器和自紧式紧固件可以长期应用在汽车上。

智能表现

德尔福公司新业务开发技术经理Andrzej Pawlak说：“迄今为止，全世界在智能材料领域已出现10万多个专利，已记录在档的专利比过去十年多了一倍。应用在汽车传感器和能量转换执行器上的智能材料，是发展最快的领域。”

尽管多年前汽车工程师就已明了智能材料的优势，但是它们的商业化进程还是受到阻碍而延缓了。阻碍的因素也是常常阻碍其他新技术发展的，比如：无竞争力的成本，性能可靠性、供应短缺、对于“非本处发明产品的性能”的疑虑。不过智能材料的支持者还是认为：越来越多的智能材料，成本已开始降至量产可接受程度。

“严格说来，智能材料和技术集成系统能够察觉并回馈不断变化的环境条件，”斯坦福咨询研究所（SRIC-BI）技术分析家Carl Telford说：“这是一个充满可能性的领域，也是一个受到太多吹捧的领域。许多技术和材料都被称为‘智能’，但是对于纯粹主义者而言，它们还算不上‘智能’，只是性能表现比较‘聪明’罢了。”

Telford说：智能材料已成为一个包罗万象的词，其中许多“边缘”材料其实只在建设途径上挖掘了某些内在特征，还谈不上“智能”。比如，许多汽车制造商正在考虑应用能够直接将热能转化为电能的热电材料，以回收发动机废气中产生的热能。

“这就是真正的智能吗？”Telford认为：“其实不是。但是人们还是经常将这种应用方式归入智能材料领域。”

不管究竟如何定义，智能材料是多种多样的。许多材料是“具有场依存性的”固体，能够经受尺寸变化（承受拉伸力），对电场或磁场做出回应。这些物质包括压电陶瓷（比如锆钛酸铅）、塑料（比如聚偏二氟乙烯和聚酰亚胺）以及磁致伸缩材料（比如铽镝铁或Terfenol-D）。其它还有记忆金属合金、塑料以及磁流液，磁流液的粘度提高可以回应其中的应用磁场。

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由波兰James Owen设计工作室出品的米其林EAP智能轮胎，
采用电活性聚合物（EAP）制成，已应用于马自达RX-9混合动力车。

“汽车上还有一些技术颇为智能，但是大家通常并不把它们视为智能材料技术，”Telford说。比如，有些共轨柴油发动机，采用配载了压电校准器的燃料喷射系统，可以为气缸输送准确的燃料量，有助于满足排放标准。采用磁流液的主动悬架系统，比如德尔福和Lord公司共同推出的磁流变减震系统 (MagneRide)，在通用汽车公司推出的模型车以及法拉利车型上，可作为备选零部件使用。由电致变色材料制成的智能玻璃，其实并不属于严格的“智能材料”这个定义，但是它可以广泛用于后视镜，自动调节光线变暗。

形状记忆合金在行动

Telford认为：现今的汽车工业正处于智能材料使用量不断增加的时代。他认为在不久和更远的未来，在校准、振动控制、智能夹紧、扭矩传递、触觉及转向系统领域、光热控制、自我修护涂层和零部件以及智能轮胎上大有可为。

多家汽车行业组织都在研究形状记忆合金校准器的应用，比如菲亚特技术研究中心和通用汽车公司研发中心。通用汽车公司研发中心执行总监Alan I. Taub说：“我们希望零部件都可以采用形状记忆合金移入车内。”比如：车门锁、车窗、风挡雨雪刷以及液体喷射器。

“通常我们用电机、电缆、操作杆或校准器等移动零部件，”Taub说：“现在我们更喜欢通过加热镍-钛形状记忆合金进行这一操作。记忆合金可以替代常规校准器，成本更低、重量更轻，需要的零部件及耗费的能源都更少。它还能让我们将动力设备与零部件打包配置。”

Taub解释说：通用汽车公司以一种特殊的方式处理形状记忆合金，这样他们就能在一个较容易控制的温度下改变形状百万次。公司研发人员发现镍钛金属可以开关散热器百叶窗，经电阻加热激活后，可以展开后空气阻流板或内饰扶手。Taub说：通用汽车公司还将引进“几种更复杂的应用方案”，有望在2012年推出的通用车型上与大众见面。

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由Francois Tournilhac和Ludwik Leibler发明的自愈式超分子橡胶材料，
撕开后再拼接就能自行修复，适用于挡风雨条和其它汽车零部件。

其他专家对形状记忆合金的量产满怀期待。福特研发和高级工程中心材料科学及纳米技术经理Matthew Zaluzec说：“镍钛形状记忆合金材料非常适合需要应用精准、可靠性极高的领域，不过量产仍需一定时间。要是有人能让它尽快满足量产技术要求，我们一定对他脱帽致敬。目前看来这项技术不是短期就能成功应用的。”

福特调研人员一直努力关注电活性聚合物的技术发展，这种聚合物在校准器和传感器上均有应用。从斯坦福研究院分离出来的Artificial Muscle Inc.公司，是领先的智能材料供应商，但是福特对它们短期内投入实际量产的可能性仍有疑虑。“Artificial Muscle的代表曾来过我们的实验室，展示了开发的技术。它们当然很吸引人，但是我们还不知道它们的实际应用情况如何。”

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通用汽车公司推出的散热器护栅，应用了镍钛形状记忆合金丝。

可能性

本田（美国）研发中心总工程师Lara Minor认为：智能校准材料在汽车上还有一个很重要的可能性应用，就是可调安全带。与本田基金一起，俄亥俄州立大学机械工程师Marcelo Dapino正在进行此项用途研发，对施加在安全带上的加载力和加载率监控，为实现最优抑制效率，自动调整D环摩擦和皮带张力。Dapino说：滑动带的纵向摩擦将由压电驱动超声波振动控制，改变速度，实现较好的安全性能，降低重量，使设计更简化、更灵活。

斯坦福咨询研究所的Telford预测：在未来二十年，“我们应该能够见证形状记忆材料在智能架构上的技术突破，还有智能塑料和聚合光纤材料制成的零部件。”

目前，针对新架构的开发已经启动。早在2007年，蒂森克虏伯就与SMA零部件公司在转向柱上开始合作，致力于设计一款撞击时能够立即改变形状的转向柱，以提高乘客安全保护。

最近，这两家公司在由磁滞伸缩材料制成、能感受到直升机旋翼组装的振动并对其进行控制的压电式设备上取得了一些技术进展。这些技术可以应用在道路车辆上的主动型减震器或自动疲劳磨损监视器上。加州大学欧文分校工程师Lizhi Sun负责本田汽车的技术支持，他希望能够开发出磁激活阻尼器，未来有一天它或许能够应用到减震器、轴衬和发动机架上。

其高效磁滞胶质阻尼器以Terfenol-D、二氧化硅、氯硅烷为基础，它们分散在纳米铁颗粒制成的悬架上。当这些颗粒暴露在磁场上就会形成磁场线，可抵御滞流的影响。

与形状记忆合金同期开发的智能坚固件，现大多用于电子应用领域，也能用于汽车上。弗吉尼亚理工大学工程师Daniel J. Inman解释说：其中可自行加热的螺栓，配备了“加热便还原（heat-to-recover）” 形状记忆合金制成的垫片，能够快速拆卸，重新安装。多年来，Inman及其同事一直致力于自紧固螺栓系统。在这个系统内有“一个微缩芯片”监视螺栓张力，如果感觉到螺栓松动，就会电阻加热激活形状记忆合金垫片，将螺栓紧起。

扭力传递是未来使用智能材料的又一大领域，比如洛德公司推出的机械传动离合器，可替代标准从动盘系统，它应用了磁流变（MR）流体技术，可提供更大抗磨性能和长期可靠性。还有一种产品是冷却风扇离合器。尽管有些工程师还在考虑是否在汽车传动系统上进行类似项目，绝大多数的专家还是一致认为：这些系统的实际普及起来还有待长足发展。

Telford认为：或许有一天，智能材料还能应用在转向器和触觉系统上。洛德公司与瑞典船艇制造商沃尔沃遍达（Volvo Penta）公司一起，为自动、线控转向舵机系统开发触觉回馈技术，力求降低转向力。“它提供转向力反馈，”如果这些设备应用成功，“我们就有机会将这种技术应用在汽车转向系统上。”

工业观察家们期望广大汽车工程师能够尽可能多地选择智能材料，应用在新车设计上，以提高效能、降低成本、增加实用性。毕竟，在今天这个崇尚“聪明”的时代，选择“聪明”材料的工程师才够聪明。

文章内容仅供参考 (投稿) (9/1/2010)


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