新材料在汽車領域的應用與展望

曹西良

摘要：隨著生活水平和制造工藝的提高，居民對汽車性能要求越來越高，輕量化、低能耗和低排放是汽車發展的趨勢。汽車材料的改進是輕量化的出發點，要想實現低能耗和低排放，就不能放松對性能更輕更好的汽車材料的研制。輕質材料、金屬基復合材料及陶瓷等新材料的使用在一定程度上決定了汽車的發展趨勢，是汽車技術發展的重要方面。

關鍵詞：汽車新材料；輕質材料；金屬基復合材料；陶瓷材料

中圖分類號：U270 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）13-0010-02

隨著用戶對汽車要求的提高和汽車技術的發展，汽車的未來發展趨勢一方面追求豪華和舒適，另一方面又需要輕便。為滿足汽車在綠色化、輕量化上的主流發展趨勢，構成汽車的材料也不斷革新，使用新材料成為了大勢所趨。降低構件質量、降低制造成本和耗能、提高材料比強度、提高構件使用壽命、節約合金元素、加快發展復合材料和特殊材料是未來車用材料發展的必然之勢。

最近幾年汽車制造業中材料的發展特點可概括為以下三個方面：（1）傳統的鑄鐵材料、低碳鋼仍占據主導地位；（2）新材料所占比重越來越大，如鎂材、鋁材、塑料等已經成為不可或缺的材料；（3）隨著科技的發展，更多的新材料已用于生產車架、車身立體構架、保險杠、承載構架、排氣管和發動機支承等，大大降低了生產成本。

下面將討論各種新材料的特點。

1 結構性材料

1.1 輕質材料

降低汽車重量的關鍵是輕質材料的廣泛使用。以車身的材料為例，車身要求高強度、高精度、高抗撞性，其質量約占汽車總質量的20%～25%。目前，鋼材仍是批量生產的凈車身的主要材料。其他材料如鋁、鎂合金材料所占比重將會越來越大。輕質材料的使用，可以明顯降低車重。這樣不但可以壓縮汽車的制造成本，更可以大大降低汽車使用成本。

目前，車用輕質材料主要有金屬輕質材料和非金屬輕質材料兩種。金屬輕質材料主要有鎂合金、鋁合金、鈦合金等；非金屬輕質材料主要有工程塑料、玻璃鋼等。

1.1.1 車用輕金屬。

（1）鎂合金。鎂合金是汽車減重最具潛力的輕質材料之一。鎂的密度為1.8g/cm3，僅為鋼材密度的35%，鋁材密度的66%。尺寸穩定性好、電磁屏蔽能力強、比強度高、阻尼性好是鎂合金的主要優點。由于鎂合金的振動阻尼能力好于鋁和鋼，并且尺寸穩定性更好，因此在航空工業和汽車工業中得到了廣泛的應用。德國大眾公司的甲殼蟲汽車的大量結構零件都使用鎂合金。高延展性鎂合金AM20、AM50和高純度耐腐蝕鎂合金AZ91D、AZ91E等的出現極大地提高了性價比。隨著壓鑄技術的進步，目前已可以制造出形狀復雜的薄壁鎂合金車身零件。

鎂合金在冶煉時要使用保護氣SF6，其溫室效應是CO2的近2.5萬倍，對環境的污染比較嚴重。不過，如果能將鎂合金的各種切削和報廢件充分再利用，則可降低能耗。另外，利用“生命周期評估”理論進行評價后發現，由于鎂的比重小，減輕了汽車的重量，降低了油耗，使鎂所占比重較大的汽車在行駛里程超過四萬公里后，顯示了對環境影響的優越性。

（2）鋁合金。鋁合金在發動機缸體、活塞、進氣支管、氣缸蓋、變速器殼體、轎車的骨架、車身、座椅支架、車輪等部件的制造中有廣泛應用。其密度約為鋼的1/3，與汽車鋼板相比，鋁合金具有低密度、高比強度高、高熱穩定性、耐銹蝕、易成形、可再生等優點，并且技術成熟。目前在汽車上，鋁合金是僅次于鋼材的第二大應用，可以生產各種沖壓件、鑄件及拉制型材。

德國大眾公司的奧迪A2型轎車，車身骨架和外板結構全部采用鋁合金，與傳統鋼材料比較，車身減重135公斤，約降低了43%，每百公里油耗降低3升。性能更優良的液壓成型件和大型鋁鑄件的采用，使奧迪A8型轎車車身的零件數量縮減了21個，并且車身框架完全閉合，這種結構的車身與同類鋼制車身相比不僅減重一半，還提高了扭轉剛度。

一方面，鋁合金都可以全部回收再利用，深受環保人士的歡迎。但另一方面，鋁的成本較高，并且制造難度大，阻礙其在汽車領域的應用。奧迪A8采用了6000系列鋁鎂硅合金鋁材作為車身鈑金件，該種鋁合金對純度和工藝穩定性有很高的的要求。為了提高其強度，需在制造時采用連續退火熱處理工藝，該生產線費用高、熱處理能耗大。因此，為了進一步降低鋁車身成本，需要開發新的鋁合金材料。

（3）鈦合金。目前，鈦合金主要應用于汽車發動機中。鈦合金的優勢是，在密度上僅是鐵的1/2，為4.5g/cm3，但比鋼擁有更好的硬度和強度，且耐腐蝕性能好。因此，在汽車發動機中使用鈦合金可以使部件更輕、更堅固、更耐腐蝕。同時，鈦合金車身可以承受更大的作用力。但是，由于鈦提煉困難，使其價格昂貴，現在還只能在賽車上應用，而普通汽車上使用較少。

1.1.2 車用非金屬輕質材料。

在汽車行業的未來發展中，國內外發展的一大趨勢是用高分子材料制造零部件。原因主要有三：一是減輕質量降低成本；二是一件零部件可以集中多項功能；三是部件設計方面有了廣泛自由的空間。因此，高分子材料零部件已經不僅僅局限于內外裝飾件，而是向車身結構件和覆蓋件方向發展。有些汽車公司甚至正在用復合材料做承載力最大的底盤車架。這些應用在減量、降噪和提高耐蝕性等方面發揮了重要的作用。

（1）工程塑料。塑料的主要成分是樹脂。其優點是密度小、易成形，表面還擁有優良的電鍍、著色、鉚接、植絨等特性，且耐腐蝕。工程塑料比普通塑料具有更優良的電性能、機械性能、耐熱性、耐磨性、耐化學性、尺寸穩定性，比金屬材料更輕、成型時能耗更少。20世紀70年代后，汽車工業中就廣泛應用襯墊類、泡沫類、緩沖材料等塑料。

目前，工程塑料已被廣泛應用于汽車領域。用于車身內外板生產的聚合物塑料包括GMT和SMC。GMT一般用于制造一些板件和復合件，側門、保險杠和車頂蓋等飾板則廣泛使用SMC。其他應用較廣的熱塑性塑料包括PUR、PP、ABS、PVC、PA和PE等。

（2）玻璃鋼。玻璃鋼作為一種樹脂基復合材料，運用在汽車部件上，其主要優點：一是質量輕，可以減少整車的質量；二是可以吸收更多的沖擊能量，當發生撞車事故時，可以降低人員和車輛所受的損傷。另外，由于玻璃鋼的強吸振功能，可以降低噪聲和震動，從而提高舒適性；三是制造工藝簡單，使設計和修改更加靈活，降低產品的開發設計周期和生產成本；四是具有良好的耐腐蝕性。在發達國家，玻璃鋼在轎車和其他商務車上所占的比例越來越大。我國汽車行業目前使用玻璃鋼部件也逐步增多，并形成了專門生產汽車玻璃鋼零部件的廠家。隨著研究和開發的不斷深入，玻璃鋼被更多的使用以達到節能減排的目的。可以肯定，玻璃鋼今后在汽車上所占的比例將會越來越大。

1.2 金屬基復合材料

金屬基復合材料同時具有幾種成分材料的綜合性能，其是將非金屬纖維、顆粒或晶須加入到金屬基體中，并使其均勻分布。這樣做的目的有兩個：強化基體和改善材料的物理性能。金屬基復合材料主要有顆粒增強型和纖維增強型，都使用粉末冶金和鑄造生產。該材料制造過程、工藝和設備簡單，可以用較低的成本鑄造各種零件。

以前，金屬基復合材料的主要應用是發動機活塞、氣缸體、軸承、軸瓦和滑動體等。金屬基復合材料在高性能汽車上的應用正不斷取得成功。如汽車制動盤在使用性能更好的鋁基復合材料后，質量可比過去通常使用的鑄鐵件減輕一半以上，并能縮短制動的距離。

1.3 陶瓷材料

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕及特殊的導電與介電性能。陶瓷材料在汽車部件上的應用，可使運行特征得到改善并減輕汽車重量。

目前，在汽車發動機上使用陶瓷部件成為各個汽車生產商主要的研究方向之一。因其導熱性很低，燃燒室不與外部環境發生熱交換，使用陶瓷可制造絕熱發動機。這種發動機的優點是質量輕、無需潤滑和冷卻水，從而提高熱效率和輸出功率，達到節能減排的目的。陶瓷發動機的主要材料是具有更好耐熱性能的碳化硅及氮化硅類陶瓷。碳化硅類陶瓷基本進入了實用化階段，經過硅元素燒結的燒結碳化硅材料可制造燃燒器等。因其抗彎強度，發動機的葉片、葉片圍帶等部件上可使用高氮化硅類陶瓷。賽隆陶瓷是Si-Al-O-N體系中的固溶體，高溫性能優異，已經在發動機部件上得到應用。

具有高介電常數的鈦酸鋇等工程陶瓷，可是大幅縮小電容器的尺寸，利用其大電阻正溫度系數，可使陶瓷電熱器自動調節熱源。鉛鈦和鉛鋯壓電陶瓷可以應用于爆震傳感器，另外，在一條壓電陶瓷塊的一端外均勻地融入適量納米級的纖維金屬電極，即可使其電功率輸出值增加10倍。

2 建議和結論

隨著我國居民生活水平的提高，汽車保有量大幅增加，因而在國民經濟中，汽車工業的重要性越發顯著。推動汽車工業技術發展的一個重要因素就是新材料的開發和應用。從發展車用新材料來說，主要有三個重點：（1）今后，汽車將向著電動化、智能化的方向發展，要大力開發符合這一發展要求的車用新材料；（2）新開發的結構和功能車用新材料要圍繞整車低能耗、低排放的要求；（3）要緊跟國際先進車用新材料的發展步伐，通過開發擁有自主知識產權的車用新材料來提高汽車工業的整體水平。

參考文獻

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（責任編輯：吳 濤）