客观日本

日本开发新型高性能薄膜材料,有望使窗户减重90%

2019年09月26日 汽车与运输

日本中部大学的特任教授多贺康训开发出了一种新型薄膜材料,可以将目前汽车和建筑物的窗户重量减轻90%。材料采用含聚四氟乙烯(PTFE)等氟类树脂的氧化铈(Ceria,CeO2),利用溅射法在玻璃基板上成膜时,表面硬度提高至原来的约3倍。另外,还获得了在塑料薄膜上成膜时将表面硬度提高到了约为目前10倍的数据(图)。

日本开发新型高性能薄膜材料,有望使窗户减重90

如果能将塑料表面的硬度提高到与玻璃相同的水平,则可以发挥塑料所具备的冲击吸收性高达玻璃数十倍的特性,即使考虑风造成的挠度的影响,也能将窗户的厚度减至目前的1/5左右。而塑料的比重约为玻璃的1/2,因此这些条件加在一起,窗户的重量可以减至目前的1/10左右,有望大幅实现节能。

目前,汽车的车窗主要使用无机玻璃。普通汽车的车窗重量约占整个车身的5%。如果能把车窗重量减轻90%,就可以为实现电动化所需的车身轻量化做出更大贡献。

为提高玻璃表面的硬度,业界研究了在表面形成硬的CeO2膜的方法。不过,CeO2虽然坚硬,但比较脆,会因变形而产生大量裂纹。此次,多贺教授开发了以5~15%的体积比例体合氟类树脂PTFE的CeO2薄膜材料和成膜技术。多贺教授认为,通过混合PTFE,能遮挡80%以上的紫外光,并维持玻璃3倍的硬度,同时还具备柔软性,可以大幅改善弯曲形成的裂纹。

在实验中,多贺教授利用氩离子溅射法在玻璃表面形成了厚度为100~200纳米的CeO2-PTFE膜,利用纳米压痕法(纳米压痕仪)测量的表面硬度由约6000N/mm2提高至约17000N/mm2。成膜后的防水性也很高,作为指标的水滴接触角达到90度以上。另外,可见光透射率达到80%以上,有害紫外光的屏蔽率也高达80%以上,均超过汽车车窗要求的性能参数。

继玻璃之后,多贺教授又在塑料薄膜上实施了成膜实验。材料采用工程塑料聚碳酸酯(PC)和通用树脂聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。在这两种材料上分别成膜后进行测量的结果显示,PC成膜后的硬度由约180N/mm2提高至约1600N/mm2,PET成膜后的硬度由约300N/mm2提高至约1300N/mm2。另外还确认,形成CeO2-PTFE膜的PC树脂在汽车耐候性测试条件下完全没有发生劣化。虽然硬度尚不如玻璃,但多贺教授认为,通过在塑料基板上使用表面硬化薄膜等,能达到与无机玻璃相同的表面硬度。CeO2-PTFE膜的成膜温度在100℃以下,低于塑料的耐热温度,因此无需担心母材的性能降低。

此次开发的兼具高可见光透射率和紫外光屏蔽率的CeO2-PTFE膜不仅可应用于汽车,还可用于建筑物的窗户。

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文:JST客观日本编辑部翻译整理

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