新材料在汽車輕量化技術中的運用探討

劉智彬

摘 要：對汽車行業而言，汽車輕量化無論在提高汽車性能、實現汽車節能減排還是提高汽車安全性方面都起到重要的促進作用。在經濟全球化發展的背景下，面臨著突出的環保問題和資源緊缺問題，使得綠色節能是當前階段企業工業發展的主要方向。要想實現企業工業環保、節約目標，必須在減少汽車重量的基礎上不影響汽車使用質量，汽車輕量化的技術在當前是制約因素很少、具有較高可行性且比較節約的一種方式，而這一目標的實現與新材料的應用密不可分。本文首先分析汽車輕量化比較常見的幾種材料，之后分析阻礙我國汽車輕量化新材料應用的因素，最后探討新材料在汽車輕量化技術中的運用策略。

關鍵詞：新材料 汽車輕量化技術 運用

Discussion on the Application of New Materials in Automobile Lightweight Technology

Liu Zhibin

Abstract：For the automotive industry， automotive lightweight plays an important role in improving automotive performance， achieving automotive energy saving and emission reduction， or improving automotive safety. In the context of the development of economic globalization， facing outstanding environmental protection and resource shortage problems， green energy conservation is the main direction of enterprise industrial development at the current stage. To achieve the industrial environmental protection and savinge goals of the enterprise， it is necessary to reduce the weight of the car without affecting the quality of the car. The lightweight technology of the car is currently a way with few restrictive factors， high feasibility and relative economy. The realization of this goal is inseparable from the application of new materials. This article first analyzes several common materials for automobile lightweight， then analyzes the factors that hinder the application of new materials for automobile lightweight in China， and finally discusses the application strategies of new materials in automobile lightweight technology.

Key words：new materials， automotive lightweight technology， application

近年來城市化和工業化進程逐步加快，全球均增強了資源保護和環境保護意識。世界各國經濟快速發展背景下人們對生態環境協調發展越來越重視，世界發展的主題轉變為節能減排和環保[1]。企業工業作為排放和消耗量較多的產業，必須減少污染排放和降低燃油消耗，這樣才能實現可持續發展的目標。當前階段國內解決汽車環保、節能和安全問題時主要通過發展發動機技術、發展新能源汽車和實現汽車輕量化三種方式進行。汽車發展中新能源汽車是主要發展方向，但在市場接受度、設施配套建設和基礎設施配套建設等影響下整體發展比較緩慢，因此當前背景下汽車工業實現節能減排目標的主要途徑之一是汽車輕量化。

1 汽車輕量化較為常見的新材料

1.1 塑料和復合材料

人們對在汽車輕量化技術中應用塑料和非金屬復合材料也越來越重視。塑料重量很輕，且不會出現銹蝕或腐蝕等問題，且加工操作簡單，經濟實惠。可在各種內裝件上使用塑料合金、工程塑料等，比如應用于汽車頂棚、儀表盤和各種箱體蓋等。技術逐步發展成熟也可以在外飾件和結構件等零件上應用，塑料材料的應用越來越廣泛。

1.2 鎂合金

鎂是輕質金屬材料的一種，目前汽車輕量化技術中鎂合金占據越來越重要的地位，在該方向的研究中已經取得了有效的效果。不僅可于汽車車身和底盤上應用鎂合金，而且可在結構件等方面應用[2-3]。其中，鑄造鎂合金是鎂合金材料中應用較為廣泛的一種材料，如AZ和AM系列。此外，還可將變形鎂合金材料應用與其他車身部位，如車身框架和車身組件，減輕車身重量。

1.3 高強度鋼

汽車材料中應用得最廣泛的就是鋼鐵材料。其中，汽車輕量化技術中應用超高強度或高強度鋼對減輕汽車質量方面都具有重要的促進作用。在汽車車架和汽車負載部位應用高強度鋼板替代鑄鐵和普通鋼，很大程度上減輕了車身質量。汽車轉向零件等一些對強度要求較高的部件可應用高強度鋼，且此類材料也可以應用于底盤或車身等，實現輕量化的目標。

1.4 鋁合金

近年來汽車輕量化中廣泛應用了鋁合金材料，其在輕型車方面的應用更為廣泛，且呈逐年增加趨勢[4]。鋁合金是一種質量很輕的材料，國內輕量化技術中研究比較深入的就是鋁合金材料，且這一技術發展越來越成熟。其中，鑄造鋁合金在底盤和發動機等零部件上的應用比較廣泛，滿足了汽車安全的需要，變形鋁合金則主要應用在汽車部位如車身構建和車身零件，如車輪、保險杠、車門、發動機蓋、頂蓋等等。此外，目前人們也加大力度研究鋁合金中粉末冶金鋁合金、超塑性鋁合金等材料，其在輕量化中占據不可替代的地位。

2 制約我國汽車輕量化新材料應用的主要因素

從汽車輕量化材料的應用角度分析，其主要考量指標是技術可行性和經濟合理性。所以，當前階段對我國汽車輕量化新材料應用產生阻礙的因素中技術和成本屬于重點問題，這也是汽車行業一直以來都面臨的發展難題。

2.1 技術問題

汽車輕量化要求材料變薄、變輕，且不可將其整體強度甚至要有所提高，但提高強度后增加了加工難度。比如在提高車用鋼板強度后對沖壓工藝的要求不斷提高，需要通過復雜的工藝手段來改善了深沖過程中材料出現的起皺和開裂問題，且需要滿足高強度鋼成型回彈大等缺陷[5]。現如今很多鋼廠也加大了研發投入力度，但仍然無法克服鋼板強度與沖壓成形困難二者之間的矛盾。此外，雖然我國引進了高強度鋼生產線，但還未建立這一技術及其應用基礎數據，對高強度鋼的熱成型缺乏基礎數據指導，導致國內外熱成型熱沖壓技術存在較大差距。且無論是合金改良還是制造工藝靈活化等都給鎂合金、鋁合金的應用帶來較大的挑戰，批量生產和車身成型技術以及高速連接技術也有待關鍵技術的突破，例如，鋁合金板材折彎開裂、成形回彈、切邊毛刺難控制等問題。在復合材料方面，從整體上分析，復合材料工業整體處于落后狀態，日本東麗株式會社等掌握了高端材料的核心技術，如碳纖維等，而國內能夠生產高端碳纖維的企業很少。目我國汽車輕量化技術中應用新材料時主要受到技術不足等因素影響，這就導致我國高端鋁和高強鋼等用量與國際先進水平相比還存在一定差距。

2.2 成本問題

除了上述提到的技術方面因素之外成本問題也是制約新材料在汽車輕量化技術中運用的主要因素。首先，研發成本高。企業研發新材料不僅需要投入大量的人力和物力，而且需要投入較高的財力，從材料研究分析可知其具有較高的風險，周期很長，很難預測投資回報率。雖然時代發展背景下汽車企業和材料企業一致認可輕量化材料的應用趨勢，但是僅有少量企業有實力研發輕量化新材料[6]。其次，材料成本高。鎂、鋁合金等材料價格較高，與傳統材料如鋼材、鑄鐵相比前者價格更高，這是新材料成本高的主要體現;將其與輕量化材料高強鋼比較新材料價格并不存在優勢。企業應用這些材料可以減輕1kg的重量，但大大增加了汽車成本。比如在20世紀90年代時技術改良后鋁制車身被研發成功，然而應用鋁車身的僅有捷豹路虎與奧迪兩家汽車制造企業。再者，制造成本高。通過分析鋁合金技術和工藝流程可知，技術上要求較高，且工藝復雜，需要投入較高的生產制造成本。若汽車應用鋁合金制造車身覆蓋件，如發生變形或磨損等問題就面臨全部更換的問題，成本較高[7]。

3 新材料在汽車輕量化技術上的運用

3.1 合理選擇新材料

新材料的具有不同的性能，因此其實用性和優缺點也具有一定的差異，需要工作人員選擇新材料時全面考慮材料的特點，科學選擇合適的材料。選用材料時首先需要考慮安全問題，確保選用材料可以保證車輛整體的安全和性能，注意選用沖擊性能好且抗碰撞的材料，但要比其他的新材料質量更高。雖然目前我國鎂合金方面的技術研究已經很成熟，且其質量很輕，但是從力學方面分析性能較差，且將其應用于重點構件時并不安全，需要考慮的因素較多，必須選擇合理的新材料。

3.2 創新新材料核心技術

汽車輕量化中應用需要選擇性能符合要求的新材料，加大資金投入研究新材料，全面開展輕量化材料的創新研發。各高校、科研機構、國企等加大合作力度，加大技術研究，共同建設實驗室共同進步，將產品和研發二者高度融合，以此提高效率，使科學技術和科研成果變為產品，在改進的過程中逐步得到發展[8]。鼓勵企業引進和學習新技術，吸收的基礎上進行合理利用，加大自主研發新產品力度，強化資金鼓勵和政策支持。

3.3 擴大新材料應用規模

汽車輕量化已是大勢所趨，汽車企業必須把握這一發展趨勢致力于新產品的研發，找準自身產品定位，優化產品結構，刺激消費提升，在市場上占據更多份額，推動汽車輕量化材料改良的同時實現規模化生產的目標，促進經濟朝著規模化方向發展，降低生產成本，擴大市場需求。發揮技術創新的作用對材料生產制造成本進行控制，回收并利用可用的材料，實現提高資源利用率的目標，促進我國汽車輕量化材料產業鏈變得更為完善，使我國輕量化材料逐步朝著綠色方向發展，如此一來也能逐步拓寬下游應用市場[9]。鼓勵更多材料企業投入到汽車輕量化材料的研究中，使產業鏈得到延伸，逐步完善汽車輕量化相關的服務，提高后期服務和維護能力，為輕量化材料朝著產業化方向發展起到推動作用。

4 結束語

應用新材料在汽車輕量化的應用不僅能有效降低汽車重量，而且實現了節能減排的目標，由此可知這一材料在汽車輕量化方面的應用具有重要的現實意義。通過分析目前我國汽車輕量化中新材料應用存在的問題，為汽車材料工程師在選擇材料時，考慮汽車安全和使用性能提供綜合參考。在此基礎上，加快輕量化新材料的研發力度并促進其升級，加強核心材料的技術研究，彌補材料缺陷方面的問題，在降低汽車制造成本的基礎上提高制造工藝的適應性，實現規模化應用，通過降低成本實現汽車輕量化目標。

參考文獻：

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