基于生命周期評價的車身材料分析*

馬洋洋 郝卓 汪慶云

（長安大學汽車學院）

生命周期評價（LCA）方法被認為是研究CO2排放行之有效的方法，前人的研究已得到了材料的CO2排放數據，但未結合車身材料的輕量化做出分析。文章結合專用的GaBi建模軟件，分析研究普通低碳鋼、鎂合金、鋁合金、碳纖維4種車身材料的原材料獲取階段的CO2排放，得到排序；另外，汽車車身材料輕量化是目前可行的節能減排的手段之一，文章結合材料的性質，對車身材料的輕量化發展做出合理預測，為政府、企業的決策提供了依據。

1 生命周期評價概述

生命周期評價（LCA）是一種用于評價產品、工序和與服務相關的環境因素及潛在影響的工具[1]，該工具通過匯編研究對象的相關能源和材料投入以及其環境釋放的清單、評價與研究對象相關的潛在環境影響及解釋結果以幫助政府、企業作出明智的決策。生命周期評價系統關系圖，如圖1所示。通過原材料收集、產品制造、運輸、使用以及最后的回收報廢這一生命周期分析，可有效獲得對環境的潛在影響分析。LCA方法可幫助企業從其生產和使用流程中獲取最大價值，并將可持續性和安全性融入企業的生產制造中。

圖1 生命周期評價系統關系圖

2 車身材料的生命周期評價

2.1 車身材料生命周期評價目標

通過對普通低碳鋼、鎂合金、鋁合金及碳纖維4種不同的車身材料進行生命周期評價，得到這4種不同車身材料的CO2排放，分析比較各材料的節能效果并作出排序，找出4種材料中對環境影響最小的車身材料。

2.2 車身材料的碳排放

汽車車身主要由車身殼體和車門等組成，通過使用鋁合金、鎂合金或碳纖維等低密度材料來代替車身中的鋼材，可以大大減輕汽車質量，從而改善燃料消耗[2]。為了解上述材料的CO2排放與減輕車身質量方面的關系，文章主要研究了普通低碳鋼、鎂合金、鋁合金、碳纖維4種材料組成的車身殼體，并分析了其原材料獲取階段的CO2排放。

假設CO2排放只受車身材料的質量影響，文章運用GaBi軟件建模，得到獲取單位質量原材料的CO2排放量，如圖2所示。

圖2 單位質量原材料獲取階段的CO2排放圖

從圖2可以看出，單位質量鋁合金所產生的溫室氣體排放量約為普通低碳鋼所產生的溫室氣體排放量的6倍；對于鎂合金和碳纖維而言，所產生的溫室氣體排放量差異值則更大。即相比普通低碳鋼、鋁合金、鎂合金甚至碳纖維等低密度的材料會使CO2排放量大大增加。

3 車身材料的發展趨勢

汽車行業普遍認為，汽車質量每減少100 kg，油耗會減少0.5 L/100 km，CO2排放可減少1 kg/100 km[3]。伴隨著節能降耗呼聲的日益增高，汽車開始追求輕量化，又因車身材料的輕量化對汽車輕量化有著很大的影響（白車身質量一般占整車質量的40%左右），因此，汽車車身材料的輕量化發展對推動汽車技術發展具有重要意義。

汽車車身輕量化是指在不改變車身的強度、安全性能和使用性能的條件下，盡可能地降低車身質量[4]，因此，車身材料可選用高強度材料和低密度材料。

1）高強度材料代替低強度材料。目前，車身大多使用的是高強度鋼板，這種鋼板在保證了普通低碳鋼板優勢的基礎上，大大地增加了鋼材的強度，同時減輕了汽車的質量。

2）低密度材料代替高密度材料。鋁合金材料是汽車車身輕量化的首選材料，它具有質量輕、強度高、回收再利用率高及能量吸收性能較高等優勢。

此外，金屬鎂在現有結構金屬中密度最小，是鋁的2/3，不到鋼或鑄鐵的1/4，相比于鋁合金，車身質量可減輕20%左右；另外，鎂合金具有更高的比強度及優良的減振性能，是汽車輕量化發展中最具潛力的結構材料。

文章只研究了原材料獲取階段的CO2排放，分析發現，在獲取原材料階段的CO2排放與車身材料的輕量化是矛盾的，因此，合理選擇材料即是選擇CO2排放與材料輕量化的最佳組合。

4 結論

1）文章基于科學的生命周期評價方法，結合專用GaBi建模軟件，得到普通低碳鋼、鎂合金、鋁合金、碳纖維4種材料的CO2排放排序，得出普通低碳鋼在原材料獲取階段的CO2排放最少，對制造業有一定的實用意義。

2）分析發現，鋁合金及鎂合金是汽車輕量化的理想材料，對節能減排有著重大意義。將車身材料的生命周期排放與車身輕量化結合起來，得出汽車制造商可以以普通低碳鋼為基礎，用鋁合金、鎂合金代替車身中的部件，以滿足CO2排放量低、汽車質量輕的要求，為節能減排做出貢獻。