2019年汽车行业遭遇萎靡困境,利润大不如前。尽管如此,随着中产阶级规模的壮大以及人们生活水平的普遍攀升,汽车行业仍不失一个朝阳产业。氟硅材料是最有发展前景的化工新材料之一,在各行各业中都有其身影,在汽车行业中同样有着广泛的应用。
含氟材料在汽车中的应用
含氟化学品具有不粘、耐热、耐腐蚀、低气体透过、低折射率、电绝缘、耐候性、润滑性、低污染、防水防油、防污的特点,被应用于汽车、半导体、通信、电气、航空航天等领域。氟化工产业链基本可以分为四大块,即无机氟、氟碳化合物、含氟聚合物和含氟精细化学品。其中氟碳化合物、含氟聚合物和含氟精细化学品都在汽车领域有大量应用,典型如发动机盖、绝缘导线、刹车线系统、冷却介质循环系统、制冷剂、燃油管、燃油系统密封圈、燃气软管、输“柴油机排放处理液”软管、涡轮增压胶管、汽车燃油箱、燃油供给系统密封圈、气缸套阻水圈、活塞等……
曲轴油封 现代汽车工业的发展对汽车旋转轴油封的要求越来越高。旋转轴油封要求材料接触时摩擦阻力小、使用寿命长、耐介质、机械强度好、密封可靠、能承受高低温、线速度高、能承受大负荷工作条件。氟橡胶和氟树脂具有优良的耐热性、耐油性和密封性,能有效阻止发动机油从发动机中渗漏,防止异物进入发动机内部,因而被大部分汽车曲轴油封采用。
气门油封 气门油封是发动机的零件之一,因在高温下与汽油和机油接触,此元件经常采用耐热性和耐油性优良的氟橡胶,以防止汽油和空气的混合气体以及排放废气泄漏,并防止发动机机油进入燃烧室内。
气缸垫片 气缸垫片连接气缸帽与汽缸缸体,对机油、冷却水及气缸内部气体进行密封,并将在气缸缸体内产生的热量通过气缸帽进行扩散。气缸垫片的表层可以涂上氟橡胶,使其能经受反复加热、冷却过程,并具有优良的耐油性及密封性。
树脂进气、排气歧管密封圈 为实现轻量化,汽车进气歧管的原材料从金属换作树脂。由于二者热收缩的不同,将进气歧管和发动机组装在一起时对密封性的要求很高,密封圈也由丁腈橡胶演变为氟橡胶。
喷油型O型圈 喷油器被安装于发动机燃烧室周围,在高温下与汽油接触。因此,O型圈要求具有良好的耐热性和耐油性。氟橡胶是少数能满足这一严苛要求的材料,因而常被用于此元件。
索导管 汽车加速器、离合器、变速齿轮部分电线的保护套管,以及车身、车门和顶棚用钢索或电线的保护套管会用到大量氟树脂,如聚四氟乙烯(PTFE)、PFA等。氟树脂的运用使其具有自润滑性、耐老化性、耐介质性及广泛的使用温度等特征。
制动系统 汽车制动系统通常通过输送介质来传递动力,因此需要材料具有良好的耐压性、耐脉冲性、耐油性和耐高温性能。这些需求氟树脂都能轻松满足。
氧传感器电线、密封 氧传感器用于检测排放废气中氧气浓度而测算发动机内的空气燃料比率,并将数据信息反馈到电脑。该元件被安装在发动机的排气管,直接与高温排放废气接触。氧传感器电线要求具有良好的耐热性。目前,氧传感器(包括电线包材、密封元件等)中大量使用含氟橡胶以及含氟树脂。
汽车空调制冷剂 目前商业化应用的汽车空调使用的制冷剂都是不可燃或微可燃的含氟制冷剂,发达国家目前大多使用HFO-1234yf,发展中国家主要使用HFC-134a。但考虑到行车工况的复杂性,全球汽车空调普遍选择安全性能更优越的含氟制冷剂。氟制冷剂在保证良好制冷效果的同时还能保障安全性。
在新能源汽车领域,锂电池需要大量使用高端氟材料。尤其是在供电动车使用的高能量密度电池中,含氟材料可有效改善相关性能,保证其安全性和使用寿命。如氟化石墨可以作为正极材料;锂电池电解液中的锂盐大部分含锂,包括六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、双氟磺酰亚胺锂等,其中商业化应用最广泛的锂盐是六氟磷酸锂,电解液也常用氟碳酸酯作溶剂;PVDF是目前商业化应用最广泛的锂电粘结剂,涂覆有PVDF涂层的隔膜具有优异的粘结力,同时能保持较高的柔韧性,对电解液表现出出色的耐化学性。而对于2019年大火特火的氢能,目前的研究表明,只有全氟的质子交换膜才能适用于氢燃料电池,这一关键材料是发展氢燃料汽车必须攻关的核心技术。
2018年,我国汽车用氟材料用量约7.4万吨,其中含氟制冷剂约3.6万吨,含氟聚合物约3.8万吨。随着环保法规日益趋严,汽车的总烃排出量受到日益严格的限制,汽车的发动机、传动系统和燃油系统全部要更新换代,可使用耐燃油、渗透性更好的氟聚合物以适应新的环境法规。
含硅材料在汽车中的应用
有机硅化学产品具有抗风化、抗老化、超强黏着性能、电绝缘、表面张力低、热稳定、抗紫外线、高度柔软性、耐低温、持久的弹性、韧性和适应性等特性。如此众多的独特性能,是其他合成材料所无法比拟的。其典型应用有涡轮增压胶管、盘式制动器衬套、散热器进出水软管、气缸罩盖密封条、阻水圈、密封垫片、火花塞、电缆、线圈护套、电路灌封粘接及防护、减震、车灯密封、密封条、模具、绿色轮胎……
发动机空气管路-涡轮增压软管 涡轮增压系统由于工作温度高,承受压力大,且直接接触排放废气等高温有害气体,对软管内衬材料有较高要求。热固化硅橡胶(HTV)与芳酰胺机织物及氟化橡胶粘合在一起形成的复合材料可确保涡轮增压软管具有出色的抗撕裂性能。
减振及降噪元件 液体硅橡胶在各种气候条件下都具有理想的阻尼性能,尤其适合用于汽车减振器,可以降低噪音,提高舒适性。硅油是扭转减振器不可或缺的组成部分,可有效消除旋转振动,避免因出现严重共振而导致曲柄轴发生断裂的现象。固体硅橡胶还常用于排气管悬架,它们不仅可以吸收机械振动,还可确保排气管与车身底部保持一定安全距离,并且不会传热。
接缝密封和平面密封 硅橡胶具有优异的密封性和粘结性、出色的耐久性以及防火性(着火后释放的烟尘毒性较低),即使在高温和持续振动等苛刻条件下也能保持可靠的密封性能,因此在汽车发动机中大量用作密封材料。
天窗密封条 汽车的天窗密封条常采用硅橡胶。由于硅橡胶耐候性高,能经受冷热干湿环境的变化,压缩永久变形性能优异、隔音性能好、密封性好,能有效确保天窗玻璃与车顶窗框间的防雨、防尘、防漏气。
灯具密封圈垫和密封圈 汽车的LED灯导热胶、车灯密封胶及密封圈垫都属于有机硅材料,具有良好的绝缘性能、耐高温性能、耐紫外线老化性能,能保证车灯气密性,防止车灯脱落。
安全气囊涂层 硅橡胶还可用于胸部、头部以及帘式安全气囊涂层,以提升和维持气囊的功能安全性。这些硅橡胶不仅可以简化安全气囊的生产,而且在车辆发生翻滚时,能使安全气囊在较长时间保持充气状态。
在新能源汽车领域,有机硅导热胶片对锂电池的热管理具有重要作用,它既能满足新能源汽车使用寿命在10年以上及可靠性这些最基本的要求,还具有适宜的硬度、柔软度,可满足V0级阻燃性要求,满足较高导热系数要求以及轻量化低密度要求。高压电缆是新能源汽车最重要的电缆之一,包括动力快充高压线束总成、电池-高压分线盒高压线束总成、高压分线盒-电机控制器高压线束总成、高压电流变换线束总成、高压地板线束总成等。有机硅橡胶集优异的物理性能、机械性能和绝缘性能于一身,在汽车高压电缆中表现极为出色。此外,它们还具有卓越的耐化学品性和完美的绝缘性,并可以承受热循环载荷,从而确保电力输送的安全性和可靠性。在燃料电池领域,有机硅材料既可以用于密封双极板(BPP)或膜电极组件(MEA)等燃料电池元件,也可以经预制后作为嵌入式垫片,在堆叠过程中添加。
2018年,我国汽车用有机硅材料(含氟硅)实物量约为6万吨,折合硅氧烷约3.6万吨,约占有机硅市场总量的3%,年均增长约10%。受制于外资品牌对车用材料稳定性及认证程序等原因,目前高端车型材料采购仍以外资品牌为主,如日本信越、美国迈图及德国瓦克均为主要的汽车配套材料供应商。但在密封、粘接等领域,国内品牌份额正逐步扩大,如回天、之江、高盟等。