混合材料及其關(guān)鍵技術(shù)在汽車輕量化的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

劉志民

1 前言

汽車輕量化是解決汽車油耗和排放問題的有效手段，因此，自20世紀(jì)90年代以來，歐美許多大型車企與科研機(jī)構(gòu)都積極推動汽車輕量化技術(shù)。發(fā)展汽車輕量化主要是從材料、結(jié)構(gòu)、工藝三個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)，其中材料輕量化的效果最顯著[1?3]。

采用強(qiáng)度與鋼材相當(dāng)甚至是更高的輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、碳纖維及其復(fù)合材料，是實(shí)現(xiàn)輕量化最直接有效的方法。而在各種輕質(zhì)材料中，鋁合金材料由于成本最低，被認(rèn)為是汽車輕量化最理想的結(jié)構(gòu)材料，因此，以奧迪為代表車企積極推進(jìn)全鋁車身，然而鋁合金的成本是鋼材的3.5倍左右，較高的價(jià)格導(dǎo)致全鋁車身僅限于豪華車型[4?6]。碳纖維復(fù)合材料和鋁合金相比，具有更高的比強(qiáng)度與比剛度，但是由于其價(jià)格昂貴，僅限于飛機(jī)上用于代替鋁合金[7?12]。近年來，隨著碳纖維的價(jià)格有了明顯降低，考慮碳纖維材料的強(qiáng)度比鋼材高數(shù)倍，寶馬i8/i3為代表的車型大規(guī)模使用碳纖維及其復(fù)合材料。

隨著汽車消費(fèi)逐步大眾化，汽車輕量化由高端車向中低端車應(yīng)用，低成本的鋼與輕質(zhì)材料混合運(yùn)用成為新的發(fā)展趨勢；而另一方面，為追求更高的性能，高端車也向輕質(zhì)材料與碳纖維混合材料方向發(fā)展。本文就混合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，同時(shí)探討混合材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究，最后分析了混合材料應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

2 混合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 輕質(zhì)合金-鋼混合材料

從歷年歐洲汽車年會的汽車車身材料運(yùn)用來看，各大車企傾向于向鋁?鋼混合的方向發(fā)展，如奧迪A8、雷諾Koleos、雪佛蘭Bolt EV、斯巴魯Impreza、雷克薩斯LC、路虎Velar、沃爾沃XC60、本田Accord、寶馬6系GT等車型。以奧迪A8為代表的高端車為例，從早期的全鋁車身，到2017年開始大量運(yùn)用混合材料，其基本材料為鋁?鋼混合，如圖1所示，以鋁合金為主，以傳統(tǒng)鋼材與熱沖鋼為輔，白車身骨架及車身覆蓋件為鋁合金，其中8塊面板為鋁合金沖壓件，機(jī)艙前縱梁、地板加強(qiáng)梁、后縱梁3處為擠壓鋁，前機(jī)艙減震塔、后擱板連接、地板座椅接頭等3處采用壓鑄件，而A柱、B柱、門檻梁、頂蓋上邊梁等11處為鋼與熱沖鋼，另外，鎂合金壓鑄件用于前端支撐桿。

圖1 奧迪A8混合材料車身

雪佛蘭BOLT EV為代表中級車，其鋼?鋁混合材料運(yùn)用是以傳統(tǒng)鋼材、高強(qiáng)鋼、熱沖鋼為主，如圖2所示，鋁合金占車身14%比重，主要是用于車身覆蓋件，白車身骨架以先進(jìn)高強(qiáng)鋼為主，低強(qiáng)度鋼僅占15%，主要用在頂蓋與側(cè)圍外板件。

圖2 雪佛蘭BOLT EV的混合材料車身

2.2 塑料與鋼混合材料

基于成本考慮，雷諾Koleos、福特Fiesta、標(biāo)致5008為代表的中低端車混合材料運(yùn)用，以鋼材為基礎(chǔ)，部分零件采用塑性復(fù)合材料，如前端模塊、車門模塊、尾門、翼子板等。圖3為福特Fiesta前端塑料模塊與車門模塊。

2.3 輕質(zhì)合金與碳纖維混合材料

為追求較高的性能，高端車采用輕質(zhì)合金與碳纖維混合材料的布置，代表車型有奧迪A8、寶馬i3/i8，雷克薩斯LC，圖4為雷克薩斯LC的混合材料分布，其中鋁合金車門總成，碳纖維模塑車2內(nèi)板，相對鋼板車門減重23kg。

圖3 福特Fiesta的塑-鋼混合材料

圖4 雷克薩斯LC的車門混合材料

2.4 先進(jìn)復(fù)合材料與碳纖維混合

先進(jìn)復(fù)合材料與碳纖維混合布置的車型較少，圖5為雷克薩斯LC的行李箱蓋總成，其中行李箱外板采用玻纖復(fù)合材料，行李箱內(nèi)板碳纖維，采用這種混合材料設(shè)計(jì)相對鋼板結(jié)構(gòu)可減重4.2kg。

圖5 先進(jìn)復(fù)合材料與碳纖維混合行李箱蓋

2.5 多形態(tài)異性材料混合

多形態(tài)異性材料混合是指形態(tài)不同、性能迥異的材料連接在一起使用，如泡沫材料與板材，軟化材料與硬質(zhì)材料混合使用。圖6為斯巴魯Impreza的懸架處縱梁隔斷采用高剛度發(fā)泡材料，在降低重量的同時(shí)可有效提高懸架點(diǎn)剛度。福特Fiesta的B柱，在熱成型之前，整體材料采用TRB板，在B柱下端采用控制冷卻工藝來軟化，而中部采用激光焊接超高強(qiáng)度的增強(qiáng)材料，如圖6所示。

圖6 多形態(tài)異性材料混合

3 混合材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究

異種材料連接技術(shù)對于汽車混合材料工程應(yīng)用來說至關(guān)重要，在多種連接技術(shù)中，攪拌摩擦焊技術(shù)作為一種固相連接技術(shù)，能有效避免熔化帶來的缺陷，相對于自沖鉚、鉆鉚、電阻焊、激光焊，攪拌摩擦焊可靈活地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與線連接，且成本不高，不增加重量，因此吸引各大科研院所與車企進(jìn)行研發(fā)[13?17]。本田公司研究了鋁?鋼攪拌摩擦焊技術(shù)，并成功運(yùn)用于最新雅閣車型的鋁?鋼混合材質(zhì)副車架連接，取代螺栓連接。美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室研究了鋁合金與多種高分子聚合物的攪拌摩擦焊技術(shù)，研究表明，可以實(shí)現(xiàn)對高分子聚合物與金屬之間的連接，連接強(qiáng)度為基本強(qiáng)度的50%[18]。基于攪拌摩擦焊技術(shù)在金屬與聚合物連接混合材料的工程應(yīng)用，劉志民等[19]采用有限元模擬方法研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP與AZ31B鎂合金混合板料的熱沖壓性能，模擬結(jié)果表明，通過伺服柔性熱沖壓技術(shù)可實(shí)現(xiàn)B柱的成型，最佳成型溫度為523?548K，如圖7所示。

圖7 CFRP與AZ31B鎂合金混合板的B柱熱沖壓性能

武漢理工大學(xué)制備并研究了CFRP包覆鋼管的混合管材力學(xué)性能[20]，實(shí)驗(yàn)表明，這種新結(jié)構(gòu)材料，可使得材料的平均應(yīng)變失效率由85%減小至6%，抗拉強(qiáng)度提高16.7%，延伸率提高183%。湖南大學(xué)提出一種內(nèi)嵌碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的汽車鋁合金前縱梁結(jié)構(gòu)[21]，如圖8所示。研究了內(nèi)嵌CFRP對鋁合金前縱梁吸能特性的影響，研究表明，CFRP可顯著改善汽車鋁合金前縱梁的吸能特性，比吸能和碰撞力效率最大值分別提高32%和35%。

圖8 鋁合金前縱梁與CFRP層合板裝配形式

4 混合材料輕量化的發(fā)展趨勢

基于性能與成本的考慮，多材料混合的車身開發(fā)是未來汽車車身輕量化技術(shù)發(fā)展的主流：

（1）輕質(zhì)金屬與鋼混合，以鋁?鋼材料混合為主，鋁與鋼的比重決定中端與高端車型應(yīng)用；

（2）輕質(zhì)金屬與碳纖維混合，以鋁?碳纖維復(fù)合材料為主，適用于高端車型；

（3）塑料與鋼的混合，將繼續(xù)在中低端車型中應(yīng)用；

（4）多形態(tài)異性材料混合將成為新的發(fā)展方向，而其連接技術(shù)研發(fā)是其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

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