汽車輕量化材料技術發展現狀

張艷君

(廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700)

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汽車輕量化材料技術發展現狀

張艷君

(廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700)

摘要：汽車輕量化是提高產品競爭力的一個核心關鍵技術。為降低汽車的整備質量，采用輕量化材料勢在必行。介紹了當前主要采用的汽車輕量化材料，分析了它們的特點和應用范圍，并展望了未來的發展趨勢。

關鍵詞：汽車；輕量化； 新材料

0引言

要實現國務院發布的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012—2020年)》中提出的第四階段油耗指標5 L/100 km，輕量化是一個重要的技術路徑。汽車的輕量化，是在滿足汽車的強度、剛度、被動安全性、振動噪聲和耐久性前提下，通過優化汽車的結構和零部件的材料，選擇合理的制造工藝，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃油消耗，降低排氣污染。實驗證明：汽車整車的質量降低1%，油耗可降低0.7%；汽車整車的質量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車的整備質量每減少100 kg，油耗可減少0.3～0.6 L/100 km。汽車輕量化技術目前已被眾多汽車企業高度認同和重視。當前，為了保護環境、節約資源和能源，各車企都在如火如荼地開展汽車輕量化研究。汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。

1汽車輕量化的主要途徑

汽車輕量化是設計、制造、材料技術集成的系統工程。輕量化不是偷工減料，也不是簡單的車身或者汽車某個零部件的輕量化。當前主要采用的途徑有：

(1)對汽車結構進行優化，以提升整車結構強度，降低耗材用量。如采用有限元分析、多目標協同優化設計；采用承載式車身，減薄車身板料厚度等；

(2)采用輕質高強度材料。如鋁、鎂、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復合材料等；

(3)優化制造工藝。

作者主要針對輕量化材料進行介紹，介紹目前在汽車制造中采用的輕量化材料。

2輕量化材料

目前得到應用的輕量化材料中，鋼鐵材料仍保持主導地位，但鋼鐵材料的比例逐年下降，鋁合金、鎂合金、工程塑料、復合材料等材料的比例逐漸增加。

2.1鋼

現代汽車制造中使用最多的是鋼。普通低碳鋼板具有很好的塑性加工性能，強度和剛度也能滿足汽車車身的要求，同時能滿足汽車車身拼焊的要求，因此在汽車車身上的應用很廣。但是在輕量化的浪潮下，普通低碳鋼板就難以滿足越來越高的環保和節能的要求。為了滿足汽車輕量化的要求，鋼鐵企業推出系列高強度汽車鋼材。這種高強度鋼板是在低碳鋼板的基礎上采用不同的強化機制得到的，抗拉強度得到大幅增強。利用高強度特性，可以在厚度減薄的情況下依然保持汽車車身的機械性能要求，從而減輕了汽車質量。有研究表明：當鋼板厚度分別減小0.05、0.1、0.15 mm時，車身質量可分別減少6%、12%、18%[1]。車用高強度鋼板還具有高強度和延塑性好的特點。按照生產工藝的不同，分冷軋高強度鋼和熱軋高強度鋼。冷軋高強度鋼主要用于車身零件，包括外板(車門、發動機罩外板)、內板(車門、發動機罩內板)和結構件；熱軋高強度鋼主要用于車架縱橫梁、車廂縱橫梁、車輪、剎車盤等受力結構件和安全件[2]。

國內車企很重視高強度鋼在汽車輕量化中的作用，高強度鋼是長城汽車現階段批量化使用最為廣泛的輕量化材料之一；寶山鋼鐵股份有限公司一直致力于先進高強度鋼板和超高強度鋼的技術研究和開發應用，在變厚度鋼板的材料特性和超輕型白車身的開發方面也開展了大量的工作；一汽集團的某款車車身高強度鋼比例達到47%，碰撞達到了NCAP 4星級標準[3]；一汽大眾的邁騰更是以80%的高強度鋼板，為邁騰產品品質提供了保障[4]。奇瑞某款車車身高強度鋼比例達到45%，車身減重10%[3]；吉利汽車某款車車身高強度鋼比例達到54%，車身減重8%[3]。

2.2鋁合金

添加一定元素形成的鋁合金在保持純鋁質輕等優點的同時還具有較高的強度，其比強度勝過很多合金鋼，是一種理想的結構材料。在汽車輕量化中，鋁合金有著獨特的優勢：(1)鋁的力學性能好，其密度為2.7 g/cm3，是鋼鐵的1/3，具有良好的導熱性，僅次于銅，機械加工性能比鐵高4.5倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蝕性。(2)乘客的舒適性和安全性得到提高。鋁合金汽車行駛更加穩定、駕乘人員感覺更舒適。由于鋁材的吸能性好，在碰撞安全性方面有顯著的優勢，汽車前部的變形區在碰撞時會產生變形，可吸收大量的沖擊力，從而保護了車上的駕乘人員。(3)鋁的再生性能好。在使用過程中，鋁制品幾乎不會發生腐蝕或僅僅發生輕微腐蝕，工業上常規使用的材料中，鋁的回收價值是最高的。在鋁材-鋁制品-使用-回收再生鋁錠-再加工成鋁材的過程中，鋁的損耗也只有5%左右，其再生性能比任何一種常用金屬都高。

據卓創監測數據顯示：2015年1—12月份我國汽車用鋁量達到312萬噸，同比增長3.2%；另據歐洲鋁業協會公布的資料：2014年歐洲汽車的平均鋁含量150 kg，2020年可達180 kg，是用鋁增長量最多的產業。從圖1所示的2015—2020年全球汽車鋁輪轂消費量預測可以看出，未來鋁合金在汽車產業中占有重要的位置。

鋁合金可用來制造車身、副車架、發動機、前懸掛、前保險杠、后備箱、車門板等汽車零部件。奧迪在車身輕量化技術領域一直處于世界領先水平，目前在售的奧迪A8L(圖2)的空間框架結構(ASF)包括22%的擠壓成形鋁合金件、35%的高精真空鑄造鋁件、35%的液壓成形鋁合金板材、8%的強化鋼材44 m無縫激光焊接和1 847個沖鉆鉚接，白車身質量只有241 kg，較傳統鋼質結構車身具有40%的輕量化優勢，但其結構剛性與抗扭強度較上代產品提升了25%[5]。福特、捷豹等汽車生產商也在使用全鋁車身，奇瑞汽車等也逐漸開始全鋁車身的嘗試。

不論是燃油經濟性、環保壓力，還是將要大力發展的電動汽車行業，鋁代鋼都將是汽車輕量化的必然趨勢。

2.3鎂合金

鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的一種輕合金。鎂合金是工程應用中最輕的金屬材料，常規鎂合金如AZ91密度也只是1.81 g/cm3，約為鋁的2/3、鋼的1/4，接近工程塑料的密度；而且鎂合金比強度高，比彈性模量大，散熱性好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機物和堿的腐蝕性能好，因此鎂合金不僅是最適合鑄造汽車零部件的材料，也是最有效的汽車輕量化材料。

由于鎂合金對振動能量的吸收性能好，使用在驅動和傳動的部件上可減少振動，適合用在車輪上代替塑料件；鎂合金沖擊能量吸收性能好，受到沖擊后，鎂合金能吸收沖擊能量而不會產生斷裂，適合用在汽車防碰撞橫梁等部位來替代塑料件；它可以簡單地再生使用且不降低其機械性能，這一點是工程塑料無法比擬的，因塑料很難能在不降低其機械性能的前提下再生使用。正是由于鎂合金上述優點，在保證汽車安全性的情況下，使用鎂合金制造汽車零部件對減輕汽車自身質量、降低汽車能耗特別有效。鎂合金目前主要應用在發動機罩蓋、方向盤、儀表盤支架、座椅支架、車內門板、變速器外殼、輪轂等方面。長安汽車某款車單車用鎂超過20 kg，采用耐熱鎂合金變速箱殼體相比傳統殼體減重37%，采用鎂合金發動機罩蓋相比傳統罩蓋減重33.7%[3]。

但是到目前為止，鎂合金在汽車制造上一直沒有得到大規模應用，究其原因，主要是因為用鎂合金制造汽車零部件存在壓鑄成本高、廢品率高的問題，生產過程中還存在安全隱患，使鎂合金在汽車上的應用大受影響。

2.4工程塑料及復合材料

每輛汽車塑料的用量是衡量汽車生產技術水平的標志之一，今后的車用材料有從金屬向塑料過渡的趨勢。工程塑料是可作為工程材料和代替金屬制造機器零部件等的塑料。工程塑料具有優良的綜合性能，剛性大，蠕變小，機械強度高，耐熱性好，電絕緣性好，可在較苛刻的化學、物理環境中長期使用，可替代金屬作為工程結構材料使用，但價格較貴，產量較小。工程塑料的性能特點主要是：(1)與通用塑料相比，具有優良的耐熱和耐寒性能，在廣泛的溫度范圍內機械性能優良，適宜作為結構材料使用；(2)耐腐蝕性良好，受環境影響較小，有良好的耐久性；(3)與金屬材料相比，容易加工，生產效率高，并可簡化程序，節省費用；(4)有良好的尺寸穩定性和電絕緣性；(5)質量輕，比強度高，并具有突出的減摩、耐磨性。

可使用PA6制作空氣濾清器、外殼、風扇、車輪罩、導流板、車內裝飾、儲水器材蓋、線卡、各種車內電氣接插件等；聚碳酸酯(PC)被廣泛用于燈罩、汽車反射鏡、擋風玻璃板 ；聚甲醛(POM)主要用作齒輪、凸輪、軸承、滑輪、扣鏈輪和軸襯等；聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)主要用于制造汽車發動機系統配件材料的生產、汽車分電盤和點火線圈、各種汽車外裝部件、空調機風扇；改性PPO主要用于制作一些薄壁的復雜硬質結構件，如儀表盤骨架等。

車用復合材料主要指碳纖維增強復合材料。碳纖維增強復合材料有著絕佳的物理特性：比鋁輕30%、比鋼輕50%，強度卻是鋼的7～9倍，最早用于航空、航天、軍工等科技高精尖領域。在全新BMW 7系的車體框架中，碳纖維增強復合材料被用于加固車頂橫梁結構以及B柱和C柱、底部側圍、中央通道和后部支撐。相比上一代車型，全新BMW 7系最大減重達130 kg，成為大型豪華汽車市場智能輕量化結構的領導者[6]。增強型碳纖維復合材料的固有強度能夠適應苛刻的安全要求，它的使用顯著優化了全新BMW 7系的車身剛性，對于那些需要承受較大壓力的車身部件效果則尤為明顯。以B柱為例，在碰撞中，經過增強型碳纖維復合材料加固的B柱不會因為沖擊而變形，相反地，高強度鋼和增強型碳纖維復合材料的相互作用會分散沖擊力，提升了車輛的安全性能。

國內，碳纖維材料是長城輕量化技術主攻的方向之一，長城正牽頭組織多家整車企業，欲聯合攻關碳纖維技術，推動國內碳纖維產業發展；上汽集團主要在纖維增強復合材料應用技術項目研究、復合材料應用開發能力建設方面做了大量的工作；

塑料應用雖然具有諸多優點，但相對金屬材料而言，一方面，塑料材料成本偏高；另一方面，塑料部件的回收成本偏高，在回收處理過程中存在環境污染問題，特別是纖維增強熱固性復合材料的回收更困難。所有這些因素都成為制約塑料應用發展的障礙。

3結束語

輕量化是一個系統工程，汽車輕量化新材料的選用原則是安全、性能、成本、環保等的綜合平衡，多材料是汽車材料使用的基本戰略。在汽車輕量化的大趨勢下，推動多種汽車輕量化新材料發展勢在必行。但輕量化絕不只是材料輕量化，需要設計技術、材料技術、制造技術集成應用才能實現，不僅僅要保證安全性、降低油耗，還要保證可靠性和成本。對我國的車企來說，既要提高自主開發能力，又要提高輕量化技術水平，只有這樣，才能提高市場競爭能力。

參考文獻:

【1】康永林,陳貴江,朱國明，等.新一代汽車用先進高強鋼的成形與應用[J].鋼鐵,2010,45(8):1-6,19.

【2】王遠，管奔.高強鋼成形技術及其在汽車輕量化中的應用[J].新材料產業，2015(2)：31-35.

【3】汽車輕量化技術創新戰略聯盟網站.

【4】2015中國汽車總評榜單[OL].http://auto.163.com/15/1230/07/BC2KDCNG00084IJK.html.

【5】寶馬、奧迪、奔馳橫向對比測評：技術哪家強？[OL].http://auto.hsw.cn/system/2015/0811/17863.shtml.

【6】碳纖維材料讓汽車身輕如燕[OL].http://auto.sohu.com/20160413/n444017368.shtml.

【7】馬鳴圖,魏莉霞,朱麗娟.塑料復合材料在汽車輕量化中的應用[J].化工新型材料,2011,39(11):1-3,111.

【8】曾昆.新材料在汽車輕量化中的應用[J].新材料產業,2015(2):5-7.

【9】胡朝輝.面向汽車輕量化設計的關鍵技術研究[D].長沙:湖南大學,2010.

【10】康斌.國外汽車輕量化研究現狀分析[J].鋼鐵業,2014(4):17-20.

Current Situation and Trend of Automobile Lightweight Material Technology

ZHANG Yanjun

(Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510700,China)

Keywords:Automobile; Lightweight;New material

Abstract:Automobile lightweight is a key technology to enhance the competitiveness of products. To decrease the curb weight of automobile,it is necessary to adopt lightweight material.The current main lightweight materials were introduced and their characteristic and application field were analyzed,the future developing trend was expected.

收稿日期：2016-04-05

作者簡介：張艷君(1977—)，女，工學碩士，工程師，講師，主要從事科技期刊的編輯出版工作。E-mail:zhangyanjun@gmeri.com。

中圖分類號:U465

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)04-083-03