广州科技职业技术大学徐向阳教授：铝基复合材料涂层刹车盘集成创新技术%2C为新能源汽车轻量化助力.pdf

广州科技职业技术大学徐向阳教授：铝基复合材料涂层刹车盘集成创新技术，为新能源汽车轻量化助力采编|李佳琪 文|何静怡 责任编辑|苏莉娜 图|广东材料谷55567月3日，我国第2000万辆新能源汽车在广州下线，迎来了新能源汽车发展史上的又一里程碑。在碳达峰碳中和的大背景下，汽车轻量化已成为汽车技术的核心价值和必然趋势。那么如何采用新材料、新方法、新技术、新工艺，实现材料高性能、加工高效率的汽车轻量化零部件生产制造技术的突破呢？长期从事载运工具轻量化新材料及其先进制造技术研究，现任广州科技职业技术大学专任教师、特聘教授的徐向阳，近日接受科技与金融记者采访时，结合自己的科研经历和切身体会给出了他的答案。材料成本高昂，是刹车盘轻量化“卡脖子”难题自2001年在北京工业大学材料学专业博士毕业后，徐向阳先后在清华大学、中国科学院力学研究所、北京交通大学等高校或科研单位从事教学和科研工作，其研究方向是汽车、飞机、高铁等载运工具轻量化新材料及其先进制造技术。自2004年，他就开始从事铝基复合材料及其产业化应用技术的研究工作，包括国家863计划项目“高速列车铝基复合材料制动盘”、河北省高技术产业化项目、河北省战略性新兴产业专项计划项目“铝基复合材料产业化制备技术”等多个项目的研究开发，在该方向有着深厚的技术积累，对相关技术和市场问题有深刻的认识和理解。他告诉记者，铝基复合材料刹车盘比铸铁刹车盘可减重50%以上，且具有更好的摩擦制动性能，是轻量化刹车盘的理想材料。但是它也有明显的缺点，一是生产制造工艺复杂，生产效率低，生产成本高，二是材料脆性大，用作刹车存在较大的安全隐患。“二十年前，国外的通用、大众、丰田等主流汽车厂商已经开始对铝基复合材料刹车盘进行试验研究和道路测试，但是传统工艺方法的生产成本远远高于铸铁刹车盘，导致其产业化难度很大。后来国内外也有不少厂家尝试改进工艺，但始终没有跳出搅拌铸造和粉末冶金的老路，时至今日，铝基复合材料刹车盘依然没有在汽车上得到应用。”技术集成创新，为轻量化刹车盘产业化创造条件看似结构简单的刹车盘研发工作其实极其复杂，无论在综合性能上还是安全可靠性上都属于汽车的关键零部件，也是汽车轻量化最具有挑战性的零部件。徐向阳介绍，长期以来，汽车刹车盘都是采用铸铁材料，轻量化刹车盘对新材料综合性能、新工艺生产效率以及新产品成本效益同时提出了很高的要求，可以说是汽车轻量化的最后一道壁垒。电动汽车由于电池和再生制动系统导致整车重量显著增加，因此采用轻量化刹车盘的意义更大。铝基复合材料刹车盘的卡脖子问题表面看起来似乎是成本效益问题，但本质上还是技术问题，是采用传统生产技术难以解决的问题。基于多年来对铝基复合材料合成制备及其强韧化技术、高强度铝合金结构强度设计及其有限元优化仿真技术、铝合金先进增材制造与表面工程技术、摩擦学设计与减摩耐磨技术的研究基础和技术积累，徐向阳提出了在铝合金盘体表面制备铝基复合材料涂层的新型铝基复合材料刹车盘技术Emerging Industries产业观察科技与金融出于传递商业资讯目的刊登本栏目文章，不代表本刊立场。“我们致力于推动一种铝基复合材料涂层刹车盘集成创新技术产业落地。该制造技术不仅进一步改善刹车盘摩擦制动性能，还可降低刹车盘综合制造成本50%以上。”STF MonthlyJuly 2023徐向阳提出了在铝合金盘体表面制备铝基复合材料涂层的新型铝基复合材料刹车盘技术集成和综合解决方案。广州科技职业技术大学徐向阳教授：铝基复合材料涂层刹车盘集成创新技术，为新能源汽车轻量化助力采编|李佳琪 文|何静怡 责任编辑|苏莉娜 图|广东材料谷55567月3日，我国第2000万辆新能源汽车在广州下线，迎来了新能源汽车发展史上的又一里程碑。在碳达峰碳中和的大背景下，汽车轻量化已成为汽车技术的核心价值和必然趋势。那么如何采用新材料、新方法、新技术、新工艺，实现材料高性能、加工高效率的汽车轻量化零部件生产制造技术的突破呢？长期从事载运工具轻量化新材料及其先进制造技术研究，现任广州科技职业技术大学专任教师、特聘教授的徐向阳，近日接受科技与金融记者采访时，结合自己的科研经历和切身体会给出了他的答案。材料成本高昂，是刹车盘轻量化“卡脖子”难题自2001年在北京工业大学材料学专业博士毕业后，徐向阳先后在清华大学、中国科学院力学研究所、北京交通大学等高校或科研单位从事教学和科研工作，其研究方向是汽车、飞机、高铁等载运工具轻量化新材料及其先进制造技术。自2004年，他就开始从事铝基复合材料及其产业化应用技术的研究工作，包括国家863计划项目“高速列车铝基复合材料制动盘”、河北省高技术产业化项目、河北省战略性新兴产业专项计划项目“铝基复合材料产业化制备技术”等多个项目的研究开发，在该方向有着深厚的技术积累，对相关技术和市场问题有深刻的认识和理解。他告诉记者，铝基复合材料刹车盘比铸铁刹车盘可减重50%以上，且具有更好的摩擦制动性能，是轻量化刹车盘的理想材料。但是它也有明显的缺点，一是生产制造工艺复杂，生产效率低，生产成本高，二是材料脆性大，用作刹车存在较大的安全隐患。“二十年前，国外的通用、大众、丰田等主流汽车厂商已经开始对铝基复合材料刹车盘进行试验研究和道路测试，但是传统工艺方法的生产成本远远高于铸铁刹车盘，导致其产业化难度很大。后来国内外也有不少厂家尝试改进工艺，但始终没有跳出搅拌铸造和粉末冶金的老路，时至今日，铝基复合材料刹车盘依然没有在汽车上得到应用。”技术集成创新，为轻量化刹车盘产业化创造条件看似结构简单的刹车盘研发工作其实极其复杂，无论在综合性能上还是安全可靠性上都属于汽车的关键零部件，也是汽车轻量化最具有挑战性的零部件。徐向阳介绍，长期以来，汽车刹车盘都是采用铸铁材料，轻量化刹车盘对新材料综合性能、新工艺生产效率以及新产品成本效益同时提出了很高的要求，可以说是汽车轻量化的最后一道壁垒。电动汽车由于电池和再生制动系统导致整车重量显著增加，因此采用轻量化刹车盘的意义更大。铝基复合材料刹车盘的卡脖子问题表面看起来似乎是成本效益问题，但本质上还是技术问题，是采用传统生产技术难以解决的问题。基于多年来对铝基复合材料合成制备及其强韧化技术、高强度铝合金结构强度设计及其有限元优化仿真技术、铝合金先进增材制造与表面工程技术、摩擦学设计与减摩耐磨技术的研究基础和技术积累，徐向阳提出了在铝合金盘体表面制备铝基复合材料涂层的新型铝基复合材料刹车盘技术Emerging Industries产业观察科技与金融出于传递商业资讯目的刊登本栏目文章，不代表本刊立场。“我们致力于推动一种铝基复合材料涂层刹车盘集成创新技术产业落地。该制造技术不仅进一步改善刹车盘摩擦制动性能，还可降低刹车盘综合制造成本50%以上。”STF MonthlyJuly 2023徐向阳提出了在铝合金盘体表面制备铝基复合材料涂层的新型铝基复合材料刹车盘技术集成和综合解决方案。北京工业大学材料学专业博士清华大学机械系博士后广州科技职业技术大学专任教师、特聘教授徐向阳集成和综合解决方案。选用适当强度的铝合金盘体材料，同时通过结构优化设计，不仅可以满足刹车盘整体强度的要求，还可从根本上解决整体铝基复合材料刹车盘脆性大的问题，从而保证其工作的安全可靠性。一方面，采取适用的表面工程技术在铝合金盘体表面制备铝基复合材料涂层，可以获得组织致密、结合优良、厚度适用的冶金涂层，这样可获得与整体铝基复合材料刹车盘相当或更好的使用性能。另一方面，铝基复合材料涂层刹车盘技术集成制造的理念有效整合了各项技术的优势，充分挖掘了各项技术的潜力，较好地平衡了材料与工艺、质量与效率、成本与效益的复杂关系与矛盾，从而能够有效地解决长期困扰铝基复合材料刹车盘产业化的卡脖子难题。采用这样的技术路线制造铝基复合材料涂层刹车盘，铝基复合材料用量可减少80%，铝基复合材料合成制备与刹车盘涂层成型可一步完成，产品质量显著改善，生产效率显著提高，这样生产制造成本总体上比现有铝基复合材料刹车盘可降低50%以上，可回收性刹车盘结构设计可使后续生产成本进一步降低到75%，这样就为其产业化和进入市场创造了非常有利的条件。在徐向阳看来，每一项技术都是在特定的范围内、针对特定的对象、解决特定的问题。只要把合适的技术用到合适的地方，能够有效地解决问题，就是好技术。“在综合考虑成本效益的情况下解决工程实际问题，才是对科技工作者智慧、能力和经验的真正考验”，徐向阳还认为，57Emerging Industries产业观察58随着经济和社会的不断发展，要解决的问题越来越难，越来越综合复杂，依靠单一技术已经很难去解决错综复杂的问题，在这种情况下，技术集成创新就显得越来越重要。集成创新对科技工作者的要求很高，不但对问题要有深刻的认识和准确的把握，还要对多项相关技术的特点有透彻的理解和丰富的运用经验。铝基复合材料涂层刹车盘技术集成制造的理念对于解决其他工程问题也具有现实意义。积微成著，徐向阳及其科研团队经过二十余年的沉淀与积累，如今已掌握了铝基复合材料涂层刹车盘的所有关键核心技术，现正在对产品结构、工艺技术和生产装备进行设计、验证和测试。徐向阳透露，这种铝基复合材料涂层刹车盘技术，具有原始创新和完全自主知识产权，可在今后23年内进入电动汽车高端市场，创造巨大的经济效益。与此同时，该刹车盘还可用于燃油车、公交车、大客车、中型卡车以及地铁、城铁、城际列车等轨道交通车辆。今后该项先进制造技术还可逐步广泛应用到航空、航天、军工、石油、机械等领域的其它产品，具有广阔的市场前景和显著的经济和社会效益。提高科学思维和知识运用能力，培养应用型创新人才由 于 徐 向 阳 曾 经 在 国 内3所985大 学、4所211大学、1所职业本科大学学习和工作，从顶级的研究型大学到应用型职业本科大学，他都有深入了解，因此对不同层次、不同类型人才培养有着深刻的、独特的认识和理解。人才是行业发展的动力源泉。作为一名高校教师，徐向阳强调不但要把专业知识传授给学生，更要注重培养学生的科学思维和知识综合运用能力。他认为，做材料研究关键要把理论与实际相结合，要综合运用所学知识，才能有办法在技术上实现突破。“我们做科研首先要学会发现问题，才能分析问题、解决问题。很多时候，表面上看起来是一个具体问题，但背后可能是一个综合性问题，牵一发而动全身，这也是科研人员必须要应对的挑战之一。”徐向阳继续道，“我们掌握的知识很多，解决一个具体问题的方法也有很多，关键是找出最适合它的解决办法，这样才能更好地解决科研道路上更多的未知难题。”STF MonthlyJuly 2023“在综合考虑成本效益的情况下解决工程实际问题，才是对科技工作者智慧、能力和经验的真正考验。”北京工业大学材料学专业博士清华大学机械系博士后广州科技职业技术大学专任教师、特聘教授徐向阳集成和综合解决方案。选用适当强度的铝合金盘体材料，同时通过结构优化设计，不仅可以满足刹车盘整体强度的要求，还可从根本上解决整体铝基复合材料刹车盘脆性大的问题，从而保证其工作的安全可靠性。一方面，采取适用的表面工程技术在铝合金盘体表面制备铝基复合材料涂层，可以获得组织致密、结合优良、厚度适用的冶金涂层，这样可获得与整体铝基复合材料刹车盘相当或更好的使用性能。另一方面，铝基复合材料涂层刹车盘技术集成制造的理念有效整合了各项技术的优势，充分挖掘了各项技术的潜力，较好地平衡了材料与工艺、质量与效率、成本与效益的复杂关系与矛盾，从而能够有效地解决长期困扰铝基复合材料刹车盘产业化的卡脖子难题。采用这样的技术路线制造铝基复合材料涂层刹车盘，铝基复合材料用量可减少80%，铝基复合材料合成制备与刹车盘涂层成型可一步完成，产品质量显著改善，生产效率显著提高，这样生产制造成本总体上比现有铝基复合材料刹车盘可降低50%以上，可回收性刹车盘结构设计可使后续生产成本进一步降低到75%，这样就为其产业化和进入市场创造了非常有利的条件。在徐向阳看来，每一项技术都是在特定的范围内、针对特定的对象、解决特定的问题。只要把合适的技术用到合适的地方，能够有效地解决问题，就是好技术。“在综合考虑成本效益的情况下解决工程实际问题，才是对科技工作者智慧、能力和经验的真正考验”，徐向阳还认为，57Emerging Industries产业观察58随着经济和社会的不断发展，要解决的问题越来越难，越来越综合复杂，依靠单一技术已经很难去解决错综复杂的问题，在这种情况下，技术集成创新就显得越来越重要。集成创新对科技工作者的要求很高，不但对问题要有深刻的认识和准确的把握，还要对多项相关技术的特点有透彻的理解和丰富的运用经验。铝基复合材料涂层刹车盘技术集成制造的理念对于解决其他工程问题也具有现实意义。积微成著，徐向阳及其科研团队经过二十余年的沉淀与积累，如今已掌握了铝基复合材料涂层刹车盘的所有关键核心技术，现正在对产品结构、工艺技术和生产装备进行设计、验证和测试。徐向阳透露，这种铝基复合材料涂层刹车盘技术，具有原始创新和完全自主知识产权，可在今后23年内进入电动汽车高端市场，创造巨大的经济效益。与此同时，该刹车盘还可用于燃油车、公交车、大客车、中型卡车以及地铁、城铁、城际列车等轨道交通车辆。今后该项先进制造技术还可逐步广泛应用到航空、航天、军工、石油、机械等领域的其它产品，具有广阔的市场前景和显著的经济和社会效益。提高科学思维和知识运用能力，培养应用型创新人才由 于 徐 向 阳 曾 经 在 国 内3所985大 学、4所211大学、1所职业本科大学学习和工作，从顶级的研究型大学到应用型职业本科大学，他都有深入了解，因此对不同层次、不同类型人才培养有着深刻的、独特的认识和理解。人才是行业发展的动力源泉。作为一名高校教师，徐向阳强调不但要把专业知识传授给学生，更要注重培养学生的科学思维和知识综合运用能力。他认为，做材料研究关键要把理论与实际相结合，要综合运用所学知识，才能有办法在技术上实现突破。“我们做科研首先要学会发现问题，才能分析问题、解决问题。很多时候，表面上看起来是一个具体问题，但背后可能是一个综合性问题，牵一发而动全身，这也是科研人员必须要应对的挑战之一。”徐向阳继续道，“我们掌握的知识很多，解决一个具体问题的方法也有很多，关键是找出最适合它的解决办法，这样才能更好地解决科研道路上更多的未知难题。”STF MonthlyJuly 2023“在综合考虑成本效益的情况下解决工程实际问题，才是对科技工作者智慧、能力和经验的真正考验。”