汽車各類輕量化新材料工藝的發展與應用

雷新春

摘 要：汽車輕量化是實現節能、減排的重要技術措施之一。本文以分析汽車輕量化材料為切入點，分別對鋼鐵、鋁及其合金、鎂材料、塑代鋼、纖維增強復合材料等在汽車中的應用進行分析，并對各種材料工藝的應用前景加以論述。為人們了解當前及今后汽車制造業材料應用發展提供參考。

關鍵詞：輕量化;新材料;汽車;應用

減少汽車燃料消耗以及降低。汽車排放對環境的污染已經成為汽車工業可持續發展所急需解決的主要問題。輕量化技術一直是汽車工業發展的重要性內容，汽車自重的減輕也是有效降低汽車排放、提升汽車燃燒效率的重要前提。一些研究報告中指出，當汽車重量每降低10%，汽車的油耗便可以降低約6%～8%，汽車的排放能夠減少約4%[1]。為適應和滿足汽車未來發展需要，輕量化已經是目前世界汽車材料發展的重要方向。本文將就汽車輕量化材料的發展現狀和工藝應用進行論述。

1 鋼鐵材料的主體地位

在汽車工業發展的歷程中，鋼鐵一直扮演著非常重要的角色。目前，汽車材料中，鋼鐵材料的占比仍相對穩定，不過鋼鐵材料的內部結構卻發生了重大變化。主要的變化就是高強度鋼和超高強度鋼的使用比例逐年提升，強度處于中、低等的鋼材比例逐年降低。高強度鋼是一種具有很大競爭力的汽車輕量化新材料，與其他材料相比在耐蝕性能、抗碰撞性能以及成本等方面具有很大的優勢。

2 鋁及其合金材料應用范圍繼續擴大

鋁是應用較早且技術日趨成熟的輕量化材料，它在汽車中的用量呈現不斷增長的趨勢。汽車中應用的鋁主要以鋁鑄件為主，約占汽車用鋁量的80%。目前，在汽車輕量化的帶動下，鋁合金及其應用技術得到了迅猛的發展。各大汽車廠商不斷推出了采用全鋁車身以及鋁密集型的新款汽車，這些新車中鋁的用量不斷增加。例如，福特P2000鋁的比例達到了37%[1-2]。而全新的奧迪A8轎車通過采用性能優異的大型鋁鑄件和液壓成型部件，從而使汽車車身零件的數量從50個減少到29個，且車身框架完全閉合。這種車身結構不僅可以使車身的扭轉剛度提高60%，還能夠比同類車型的鋼制車身車重減少50%。目前，鋁在汽車中的應用正朝車身零件及結構件的方向發展，其應用范圍將會不斷擴展，成為僅次于鋼的第二大汽車材料。

3 鎂材料的應用快速增長

鎂是比鋁更輕的一種輕金屬材料，它能夠在鋁減輕質量的基礎上再減輕15%-20%。在汽車輕量化的推動下，鎂在汽車中的應用已經成為汽車材料領域的一個重要發展方向目前，車用鎂材料在汽車中的應用正以年均20%的增長速度迅猛發展[2-3]。目前，采用鎂合金制造汽車底盤、車身、轉向盤、座椅骨架、各種支架、儀表板骨架、進氣歧管等汽車零部件已經成功實現工業化生產。而鎂在汽車中應用的下一個目標是汽車發動機等動力系統的零部件，各大汽車廠商均加大了對鎂合金在發動機等動力系統零部件上的研發。

但是，鎂在汽車中的大量應用還需解決一些現有不足和問題。例如，對車用鎂材料的特性缺乏深層次的理解、欠缺車用鎂材料的很多性能數據、車用鎂零部件的防蝕技術有待提高、汽車鎂零部件的設計以及使用經驗存在不足等。

4 汽車材料以塑代鋼和汽車塑料應用

從現代汽車使用的材料來看，工程塑料不僅應用于汽車內外飾件，而且可應用于部分功能和結構件。近年來應輕量化大勢所趨，各汽車制造商不斷研發出輕量化的車型，汽車上的塑料使用量大幅提升。例如德國寶馬公司生產的BMWi3系列汽車實現了純電動驅動，汽車的外殼采用塑料，底盤主要為鋁合金，相較此類傳統車型，汽車重量減少了250～350kg。我國的自主品牌汽車中，CA720紅旗轎車上使用的塑料重量為88.33kg，上汽大眾桑塔納的塑料用量為67.2kg，一汽奧迪塑料用量為89.98kg。當前，汽車郵箱、發動機保護蓋等材料也多用塑料[3]。

與零部件材料相似的是，汽車內飾新材料的發展也促進了汽車塑料化的發展進程。聚丙烯（PP）以其輕質、成型性好和可回收利用等特點和優勢，已經是目前汽車塑料中應用最廣的品類，在歐美、日韓國家的汽車塑料用量中均處于首要位置。聚丙烯（PP）的密度較小、耐熱性能強、成型性能好且耐受化學腐蝕，特別是最近幾年來，汽車材料發展方向以合金化、復合、動態硫化等聚丙烯改性技術為主，具備優異性能的聚丙烯不斷研發出來，改性聚丙烯是當前十分重要的新型結構材料，在汽車工業中的應用十分廣泛。

5 纖維增強復合材料成為熱點和亮點

纖維增強復合材料由于其優異的力學性能成為汽車新材料領域的熱點和亮點。低成本碳纖維增強樹脂基復合材料和天然纖維增強樹脂基復合材料將是未來推動汽車產業升級換代和變革的重要材料。以纖維增強復合材料制造的車窗、車門、車輪、骨架乃至全塑汽車已逐步出現，成為汽車材料“以塑代鋼”的重要推手[4]。

由于碳纖維具有優異的力學性能，很好的耐熱性，較好的導電性和電磁屏蔽性能等，因此在許多高新技術領域及民用領域得到廣泛應用。碳纖維增強樹脂基復合材料在汽車輕量化先進設計制造中具有十分明顯的優勢。車用碳纖維增強樹脂基復合材料的密度一般為1.5～2.0g/cm3，只有普通碳鋼材的1/4～1/5左右，比鋁合金還要輕1/3左右。然而，碳纖維復合材料的機械性能十分優異，其抗拉強度比鋼材高3～4倍，剛度比鋼材高2～3倍，復合材料的耐疲勞性比鋼材高2倍左右，重量比鋼材輕30%40%，熱膨脹系數小40%～50%。

6 其他材料和工藝在汽車輕量化中的應用

6.1 鈦合金

鈦合金具有質量輕、強度高等特點，在汽車工業輕質金屬材料中占據十分重要地位，鈦合金的強度與合金鋼相似。與此同時，鈦合金具備的優越性能可以支持其在很多惡劣條件下保持自身特點，在很多惡劣條件下，鋁、鎂合金材料一般是難以滿足汽車制造商的需求。不過，鈦合金的價格昂貴，加工工藝復雜，極在商用汽車中應用有限。近些年，價格相對低廉的鈦合金材料不斷被研發出來，通過不斷改進鈦合金材料的加工工藝，有效降低了其制造加工成本，一定程度上促進了鈦合金在汽車工業中的應用。

隨著制造成本的降低，很多汽車廠商已經成功將鈦合金材料應用于批量生產的商業化轎車上。鈦合金材料主要用于汽車上的發動機和汽車底盤零件，鈦合金零部件具備的出色性能，使得發達國家每年用量不斷升高，而鈦合金制造和加工技術不斷發展的今天，其生產和加工成本逐年降低，今后一段時間，鈦合金材料制造的零部件將在汽車上發揮更多作用。

6.2 泡沫材料

泡沫材料是一種新型的汽車輕量化材料，一般可以分為金屬泡沫料（如泡沫鋁）和非金屬泡沫材料（如泡沫塑料）兩大類。泡沫材料不僅可以減輕汽車零部

件的質量，同時還具有隔熱、降噪、減振、吸能以及良好的剛度與抗壓縮等性能。因此，在汽車輕量化材料中，泡沫材料已經成為一個研究熱點，其應用范圍越來越廣泛。

6.3 不銹鋼

不銹鋼在汽車中的應用已經有很長的歷史，但是不銹鋼作為汽車輕量化材料應用于汽車的結構零件是最近幾年才開始研發的。一般認為，具有輕量化潛力的不銹鋼主要是高強度不銹鋼，比如ASI200和AIS300系列高強度奧氏體不銹鋼。目前，高性能的不銹鋼已經用于制造汽車保險杠、前側防撞弓形梁、發動機支架、后擋板等汽車零部件。采用高性能不銹鋼可以使汽車零部件的質量降低30%左右。但是，不銹鋼高昂的生產成本，嚴重制約了不銹鋼在汽車中的應用。目前，降低不銹鋼的生產及使用成本主要有兩個途徑：一是開發價格低廉的不銹鋼材料;二是優化不銹鋼汽車零部件的設計與加工工藝。

6.4 生物塑料

生物塑料是利用可再生資源（如玉米和其他農作物）制造出的生物材料，因其具有生物降解性而越來越受到重視。豐田汽車公司正在利用含淀粉豐富的甜土豆（淀粉含量比玉米高40%～50%）開發用于汽車部件的生物塑料[5]。該公司采用 Enzymes工藝從土豆中提取淀粉，然后將淀粉分解成葡萄糖，最后將葡萄糖發酵變成乳酸后聚合成聚乳酸。豐田汽車公司再將聚乳酸制成商品名為“Eco- Plastic”的生物塑料，并于2003年首次商業化應用于汽車日本的 Toray公司用 Ecodear植物來源的乳酸纖維制作的汽車座椅面料手感光滑柔軟。在英國，生物塑料生產商 Net Composites公司已經從政府那里獲得開發用于汽車結構部件的高性能植物基塑料的基金。該公司計劃將生產的生物塑料用來制備車門、駕駛室頂和頂棚等零部件。

7 結語

汽車工業作為我國國民經濟的重要產業，近年來取得了飛速的發展。汽車工業在快速發展的同時，也面臨著環境污染，資源匱乏以及安全問題。汽車節能、環保、安全不僅是國際汽車工業的發展方向，也是我國汽車產業政策的要求。國內外汽車新材料的發展與應用已取得顯著成效，并在汽車輕量化中發揮著愈來愈重要的作用。汽車輕量化新材料及其應用技術的不斷發展，必將有助于推動汽車產業的可持續發展。

參考文獻：

[1]孫永飛， 景作軍. 汽車輕量化技術及其應用[J]. 汽車與配件， 2010（23）：32-35.

[2]王利， 朱曉東， 張丕軍， 等. 汽車輕量化與先進的高強度鋼板[J]. 寶鋼技術， 2003（005）：53-59.

[3]葉平， 沈劍平， 王光耀，等. 汽車輕量化用高強度鋼現狀及其發展趨勢[J]. 機械工程材料， 2006， 30（3）：4-7.

[4]馬鳴圖， 李志剛， 易紅亮， 等. 汽車輕量化及鋁合金的應用[J]. 世界有色金屬， 2006（10）：10-14.

[5]周英輝，陳勝杰，雷亮，等. 幾種改性生物基塑料在汽車上的應用[J]. 現代塑料加工應用， 2018（4）：56-59.