新材料在汽車輕量化技術中的應用

王子愷

(武漢理工大學 汽車管理制造系，湖北 武漢 430070)

0 前言

隨著汽車燃油價格的不斷提高，汽車輕量化已經成為有效降低汽車能耗、控制成本的關鍵舉措，這也是獲取更多汽車消費者的關鍵所在。為此，加大對汽車輕量化技術應用的研究，采用更多的新材料，在確保汽車安全性的同時推動汽車輕量化發展，實現降低能耗，推動汽車節能減排。

1 新材料在汽車輕量化中的應用趨勢

1.1 新材料種類和加工方式呈現多元化趨勢

汽車實現輕量化的前提和基礎在于新材料技術日益成熟及新材料成本不斷下降，歐美汽車制造商在20世紀70年代就在這一領域進行探索，并取得了一系列的成果。這些新材料質量輕，具有較好的抗壓強度，其中包含合金系列低密度輕質材料，同時也包含一些高分子材料，如纖維尼龍，但高強度材料還是以常見的高強度鋼為主。鋁合金主要用于輪胎動力系統及各種零件，鎂合金主要用于汽車的殼體支架，高強度復合材料主要用于其他的結構件、安全件，風扇等應用了新型的塑料和纖維。當前，汽車新材料的種類朝著多元化方向發展，加工方式也不斷豐富。

1.2 新材料應用領域不斷擴大

鋁合金具有良好的密度延展性，而且導熱、導電效果好，剛度和強度性能優秀，因此，汽車的發動機外殼、轉向支架等部位主要應用鋁合金。新材料推動了汽車實現輕量化，隨著科學技術的不斷進步，鋁合金加工技術更加成熟，經過加工處理的鋁合金強度不斷提升，雖然不及高強度鋼，但是汽車的車身、車門、車蓋等部位也開始逐漸探索應用以鋁合金為主的新材料。

1.3 汽車減重效果逐漸明顯

采用新材料有良好的汽車減重效果。研究表明，一些新材料(如玻璃纖維)的應用，可實現大幅度減輕汽車質量的目的，甚至可減輕50%的整車質量。福特公司優先采用全鋁車身、車門，發動機也使用了鋁合金，與同款車相比，質量減少了400 kg，且節能效果突出，能耗降低了20%。全面運用這些輕型材料，不僅能夠節能減排，還有效地減少了汽車自重，改善了減振效果，使得汽車的乘坐舒適度不斷提升。

2 我國在新材料應用中面臨的問題

2.1 新材料依然應用不足

雖然我國也在大膽地嘗試運用新材料，但是在我國汽車制造商中這些材料的應用范圍不廣，還沒有得到充分的認可。大部分高檔車才會使用新材料實現汽車輕量化，而且也僅運用于零部件上，鋼材仍舊是我國汽車的主要應用材料。在高強度鋼的使用率上，我國也明顯低于國外，國外使用高強度鋼的比例為80%，而我國卻只占40%。另外，我國一些具有高級防護功能的汽車，其面板生產技術我們還沒掌握，需要依賴進口，可見我國汽車輕量化技術還不成熟。

2.2 汽車輕量化技術落后

近年來，我國汽車制造研發方面進步很大，汽車輕量化研發也在逐步跟進，但是與西方國家相比還有差距。我國一些自主品牌汽車的質量超過國外品牌同類型汽車質量的10%，與國外品牌汽車相差較大，汽車耗油量很難滿足客戶需求。新材料在汽車輕量化中的應用還沒有全面展開。

2.3 新材料維護技術和服務缺位

部分新材料在我國的汽車生產中得到應用，實現了汽車的輕量化，但是其應用也需要做好相關的保養和維護。與傳統材料的汽車維護保養相比，運用新材料的汽車維護的要求更高，難度更大。如傳統鋼材制作的汽車受撞擊變形后，可通過鈑金技術進行修復，我國在這方面技術已相當成熟,而對于新材料制作的汽車一旦受損，我國在這方面不僅技術缺乏，而且專業技術人員也缺乏。特別是由于新材料制造的汽車維修成本高，因此無法提供高效的維護服務。

3 汽車輕量化應用中遇到的技術瓶頸

3.1 技術仍不成熟

汽車實現輕量化不僅僅是要減輕質量，更要確保汽車性能的提升。運用新材料對于汽車制造技術的要求越來越高，所需要的工藝難度逐漸加大。我國在應用鋁合金制造車身等方面的技術還不成熟，仍面臨著一系列的瓶頸。對于復合型材料的制造加工技術與西方發達國家相比還比較落后，特別是一些高科技的新材料技術，如碳纖維材料技術一直是國外汽車生產廠家所掌握核心技術。

3.2 應用成本較高

新材料的應用成本較高，這也嚴重影響了其在汽車制造業中的應用。第一，新材料的研發費用較高，需要不斷探索，耗費大量的人力物力財力。同時，應用風險較大，短時間內很難見效益，從事新材料研究的僅僅限于幾個實力較強的汽車制造企業。第二，新材料成本較高，雖然可減輕汽車質量但卻增加汽車制造成本，這是汽車制造商和消費者都不愿意面對的。第三，新材料制作成本也較高，無論是制造這些新材料還是應用新材料加工制造汽車，其復雜的工藝都使得成本大幅增加；加工這些新材料還需要專用設備，這些設備的價格昂貴，因此大大增加了汽車制造企業成本，使得企業對此類研發工作不積極。

4 汽車輕量化中新材料應用途徑

第一，各汽車制造企業要加強合作，特別是要帶動產業鏈上下游進行合作，不斷加大技術創新，掌握核心技術。第二，國家要從政策上給予支持，以國家層面開展新材料技術研究，為研究新材料應用于汽車輕量化的汽車制造企業、科研機構等提供政策資金，加大財政投入，確保有更多的科研機構、高校投入到汽車新材料的研制工作中。第三，鼓勵汽車制造企業引進先進的技術，加大推廣，同時做好自身的研發，不斷地掌握核心技術，壯大自身的新材料研發能力。

5 新材料應用發展

5.1 高強度鋼材料

高強度鋼材料是汽車制造應用范圍最廣的一種材料，我國在該領域已取得了一系列成就，但仍應圍繞高強度材料加大技術研發，在降低成本的同時實現減輕車輛質量。

(1) 加大對高強度鋼材料的開發。目前所使用的一系列高強度鋼，如雙向鋼、低合金鋼等需要用化學方法改進其冶煉技術，實現貴重合金元素使用量的不斷減少，在提升其強度同時增加其塑性韌性，使高強度鋼具有更好的性能使之具有較高的成形性的高強鋼。

(2) 采用更先進的研發技術，確保成形效果。高強度鋼的成形目前主要依靠延展、拉伸、彎曲等技術，受到一定的局限，因此要研發一些先進的成形技術，如液壓、輥壓等，不斷豐富成形技術。另外，要主動探究研發高強度鋼焊接技術，引入更先進的激光拼焊技術，全面開發高強度鋼的連接技術，這也是今后運用高強度鋼材的重點內容。

(3) 運用計算機輔助工程(CAE)分析技術進行成形研發，推動高強度鋼材料成形技術的發展。由于高強度鋼的強度高，因此其成形難度更大，而且高強度鋼存在容易發生開裂、回彈等問題，借助于CAE分析能夠不斷地優化其成形路徑，有效杜絕開裂問題的發生，確保成形一次成功。同時，也能夠模擬分析回彈，對回彈進行預測，進而能夠有針對性地補償回彈，使成形效果得到保證。

5.2 鋁合金材料

隨著對環保的重視和能源成本的增加，人們越來越多地追求質量輕的汽車，以便于更好地降低能耗。不同用途的汽車零件對所需要的鋁合金材料要求也不同，如轉向機構、制動器等零部件大多需要鋁鑄材料，承受能力強、強度高、耐腐蝕性好，因此需要在鋁合金材料上加大研發力度，追求更高的力學性能、耐腐蝕性能；制動器對耐熱要求高，因此可以打造耐熱的鋁合金材料；自動變速箱、離合器零件對零部件耐磨性要求高，因此要有針對性地打造具備更高耐磨性的鋁合金材料；汽車的懸掛系統對于材料的強度要求高，同時也要求其具有較好的變形性，因此需要打造高韌性的高強度鋁合金材料。

5.3 鎂合金材料

在運用到汽車輕量化的材料中，鎂及其合金材料具有優勢，可以作為一種理想的材料全面應用。鎂合金材料的應用也伴隨一些問題，如它的性能與溫度成反比而且還存在腐蝕問題，因此要針對性地進行研究。鎂合金材料成形依靠良好的制造工藝，材料的成形既有傳統的鑄造加工成形也有增強其塑性成形的技術。當前，應用最多的鑄造技術是充氧壓鑄及真空壓鑄等，其中應用最為廣泛的是充氧壓鑄工藝。輪轂、方向盤可以通過真空壓鑄成形。鎂合金材料成形都是通過鑄造工藝完成的，這種成形方式不利于提高鎂合金性能，造成其應用范圍不廣。但是，通過塑性成形就可以避免這些問題的發生。熱處理強化法是一種有效提高鎂合金性能的方法，由于受到鎂自身特性的限制，其變形難度大。依靠塑性方法不利于鎂合金有效成形，且成品率低、成本高、應用范圍窄。因此，對于鎂合金材料的應用首先要深化其成形方法的研究，這是充分運用鎂合金材料的基礎工作。

5.4 碳纖維增強樹脂基復合材料

碳纖維增強樹脂基復合材料性能獨特、優勢明顯，已經成為當下汽車輕量化研究的重點材料。碳纖維增強樹脂基復合材料優勢較多：① 力學性能優異。碳纖維增強樹脂基復合材料密度低，是碳鋼密度的1/10，質量也是相同體積鋁合金質量的2/3左右，但其性能要遠遠高于鋁合金材料，抗拉強度更是其他鋼材的數倍。碳纖維增強樹脂基復合材料的動阻尼特性優異，是其他輕金屬所不可比擬的。通常鋁合金的動阻尼時間為9 s，碳纖維增強樹脂基復合材料的動阻尼時間為2 s。② 實現了一體化制造。今后汽車制造發展的趨勢是一體化制造，采用碳纖維增強樹脂基復合材料能夠一次性地制作成不同形狀的曲面，實現一體化制造所有的汽車零部件，可有效減少汽車零部件制造的空檔，提高了工作效率。③ 抗沖擊吸能性能好，材料可塑性強，可實現外部負荷壓力的轉換，特別是由碳纖維增強樹脂基復合材料制作的零部件具有良好的抗沖擊吸能性能。如果經過特殊的工藝處理，由碳纖維增強樹脂基復合材料制造的零部件能夠在受到巨大的撞擊下形成碎片，碎裂程度小，確保分散了撞擊力量，能量吸收效果是其他金屬材料的5倍，提高了汽車的安全性能，保障駕乘人員的生命安全。④ 具有較好的耐腐蝕性。碳纖維增強樹脂基復合材料的主要組成是樹脂、碳纖維絲，其本身就具有較好的抗腐蝕性，通過這2種材料形成的復合材料耐腐蝕性能更好。因此，由碳纖維增強樹脂基復合材料制造的零部件不需要再經過防腐處理，就能具備較好的耐腐蝕性，抗老化性增強。

6 結語

綜上所述，汽車輕量化是未來汽車工業發展的方向，也是競爭優勢，因此需要加強新材料的應用研究，依托新材料來推動汽車實現輕量化。目前，采用新材料控制汽車質量已成為發展趨勢，這是推動汽車工業實現可持續發展的重要抓手。為此，應認真探究新材料在汽車輕量化中的應用，主動創新，實現汽車輕量化，進一步提高產品市場競爭力。