新能源汽車車身材料特性及發展現狀淺談

孫麗萍

摘 要：隨著能源枯竭，環境污染日趨嚴重化，給國際汽車工業變更面提出了新的挑戰。能源的枯竭帶動了新能源的迅速發展，但是新能源發展給整車的重量提出了一個新的挑戰，一些新生材料的應用起到了關鍵性的作用。研究表明，一般汽車每減輕1kg的重量，1L的汽油可使汽車多行駛約1m。車身在整車中占約25%左右的重量，所以車身的材料對整車的重量減輕起著關鍵性的作用。

關鍵詞：車身；輕量化；高強纖維復合材料

引言

本文主要針對可應用于車身的主要材料進行性能、成型工藝、經濟性等方面進行比對，尋找出適合現代汽車工業發展方向的高性能材料。

1 車身材料的種類

車身材料既要滿足車身設計、生產制造、裝配、維修維護方面的要求；還要滿足使用、安全、美觀等方面的要求。

1.1 傳統車身材料

現在市面上的傳統汽車大都還是鋼結構車身，占整個汽車行業的80%，還有玻璃鋼，傳統塑料（材料為傳統的PE、ABS、EMA等）。

1.2 新生車身材料

隨著科學技術的發展，各種新生材料被廣泛的應用到車身當中，包括鋁合金、碳纖維復合材料等為主。

2 各種材料的發展史

鋼結構車身已經有很悠久的歷史了，1915年福特生產了第一輛鋼結構車身。50年代-70年代出現鋁合金及塑料零件，但是僅是車身上的某個零部件，20世紀80年代，高強度鋼板開始廣泛應用到車身覆蓋件上，從此一直延續到現在，而且在未來的10-20年，仍然被廣泛應用。

1962年，中科院長春應用化學所成立 “聚丙烯腈基碳纖維的研制”課題組，開展大量的基礎研究，從此碳纖維材料這種新興的材料被大眾認知，進幾年這種材料被廣泛的應用到航天、方程式賽車及高端車身上。隨著科技的發展，材料的成本逐步下降，不久的將來將廣泛地應用到民用車身。

3 材料的特性比較

3.1 密度（重量）

從表1可以看出，新興的材料比傳統的鋼材密度要低三到七倍，這對整車車身重量來說是很大的優勢，但是單純地從密度來看是不夠的，厚度也是起到決定性作用的，綜合考量，鋁鎂合金和塑料、高強度復合纖維材料都是替代傳統鋼材的主要材料。

3.2 抗拉強度

從表1中可以分析出，碳纖維復合材料的抗拉強度遠遠超出其他的材料，優勢很突出。與鋼材相比，碳纖維復合材料質量是鋼材的一半，而在碰撞中對能量的吸收能力卻比鋼材高出4-5倍。用碳纖維復合材料制造的汽車前部框架和保險杠骨架呈現塔狀的潰縮柱，通過材料、加工工藝、產品結構設計的結合，使得這種潰縮柱能夠在正面碰撞過程中破碎成無數細小的碎片，達到吸能的效果，保證了乘員的安全。

3.3 防腐蝕性

汽車上很多零件都需要承受汽油、機油、汽車傳動液等化學制劑的腐蝕以及雨雪天高鹽、高堿、高溫嚴寒等環境的影響，所以要求材料必須具有抗腐蝕性。（1）鋼材抗腐蝕性一般，需要進行特殊的防腐處理，難以保證在不同條件和環境下的一致性及使用壽命。（2）鋁合金及鋁鎂合金都是很好的抗腐蝕材料，但和鋼材具有相同的一致性和使用壽命的問題。（3）玻璃鋼、塑料、碳纖維復合材料具有優異的耐酸、耐堿好、耐鹽和有機溶劑性，是很優良的耐腐蝕材料，其使用壽命也相對其他較長。

3.4 經濟性

（1）單純地從減少油耗來說，新型材料都優于傳統的鋼板。（2）制造成本來說，由于鋼板和傳統工程塑料的發展悠久，所以鋼板、工程塑料的制造成本相對較低，而鋁合金和鋁鎂合金雖然沒有鋼板的歷史長，但是加工工藝大部分可以借鑒傳統鋼板的沖壓工藝，所以制造成本相對可以接受，但是碳纖維復合材料發展時間相對較短，未能夠達到批量生產的技術，而且加工過程中工時相對較長，所以它的成本是最高的。（3）單純的比較材料本身的成本，每噸的價格由低到高排列為：塑料-鋼板-玻璃鋼-鋁合金鋁鎂合金-碳纖維復合材料。

3.5 加工工藝

（1）鋼板：沖壓、滾壓，折彎等。（2）鋁合金和鋁鎂合金：沖壓、滾壓、擠壓等。（3）塑料：注塑、吸塑、吹塑等。（4）玻璃鋼：低壓成型工藝。（5）碳纖維復合材料：長纖維纏繞法、碳氈短纖維模壓或噴射成型、石墨布疊層等方法。

3.6 安全性及舒適性

汽車的輕量化發展對車身的安全性提出了新的要求，有關數據分析可知，在相同的性能條件下，質量越輕，安全系數反而下降，所以對材料的本身的性能要求更高了。隨著經濟的發展，人民生活水平的提高，人們對汽車的要求不在停留在使用上了，對舒適性也有很高的要求。體現舒適性的一個重要的指標就是振動與噪聲，復合型材料，尤其是非金屬的復合型材料的吸音效果遠遠高于金屬材料。

4 各種材料的應用

（1）鋼材：車身骨架、白車身本體等結構件。（2）鋁合金及鋁鎂合金：缸體、缸蓋、輪輞、保險杠、散熱器、冷凝器等承受沖擊、振動載荷和腐蝕條件下工作的零部件。（3）工程塑料：內飾件、外裝飾件、行李架及各種電器傳感器殼體等。（4）玻璃鋼：前后保險杠、頂棚等外裝飾件及客車車身等。（5）碳纖維復合材料：目前碳纖維在民用車上應用最廣泛的就是輪轂、剎車片、傳動軸等，在跑車及方程式賽車上應用廣泛。

5 新材料發展過程中存在的問題

（1）設計的創新：新材料之所以未能迅速的應用到車身上，一個主要原因是設計人員的設計創新思想。新的材料誕生，新的設計理念也應隨之迅速發展起來，才能帶動整個汽車行業乃至這個工業有個飛速的發展。（2）經濟性：雖然國家大力度鼓勵和支持新能源、新材料、新技術的發展，由于發展速度相對緩慢，無法實現新材料零部件的批量生產，造成單件比較高，難以全面普及。（3）規章制度：新的材料、新的能源、新型技術的發展，相應的國家標準也應該隨之迅速更新，這樣才能規范市場，合理利用這些新的資源。

6 結束語

隨著科技及工業的迅速發展及關鍵技術的縷縷突破，除了文中介紹的幾種典型的材料，還有像陶瓷、粉末金屬等，通過設計的改進，結構的創新，車身材料也可以多樣性。汽車機構輕量化設計需要開發設計更合理的輕型車體結構和零部件，合適的材料用于合適的部位，并用最少的材料最低的成本來獲得最佳的結構性能，既經濟又可靠。

參考文獻

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