汽车轻量化材料技术发展现状

张艳君

(广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510700)



汽车轻量化材料技术发展现状

张艳君

(广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510700)

摘要：汽车轻量化是提高产品竞争力的一个核心关键技术。为降低汽车的整备质量，采用轻量化材料势在必行。介绍了当前主要采用的汽车轻量化材料，分析了它们的特点和应用范围，并展望了未来的发展趋势。

关键词：汽车；轻量化； 新材料

0引言

要实现国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》中提出的第四阶段油耗指标5 L/100 km，轻量化是一个重要的技术路径。汽车的轻量化，是在满足汽车的强度、刚度、被动安全性、振动噪声和耐久性前提下，通过优化汽车的结构和零部件的材料，选择合理的制造工艺，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃油消耗，降低排气污染。实验证明：汽车整车的质量降低1%，油耗可降低0.7%；汽车整车的质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽车的整备质量每减少100 kg，油耗可减少0.3～0.6 L/100 km。汽车轻量化技术目前已被众多汽车企业高度认同和重视。当前，为了保护环境、节约资源和能源，各车企都在如火如荼地开展汽车轻量化研究。汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

1汽车轻量化的主要途径

汽车轻量化是设计、制造、材料技术集成的系统工程。轻量化不是偷工减料，也不是简单的车身或者汽车某个零部件的轻量化。当前主要采用的途径有：

(1)对汽车结构进行优化，以提升整车结构强度，降低耗材用量。如采用有限元分析、多目标协同优化设计；采用承载式车身，减薄车身板料厚度等；

(2)采用轻质高强度材料。如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等；

(3)优化制造工艺。

作者主要针对轻量化材料进行介绍，介绍目前在汽车制造中采用的轻量化材料。

2轻量化材料

目前得到应用的轻量化材料中，钢铁材料仍保持主导地位，但钢铁材料的比例逐年下降，铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料等材料的比例逐渐增加。

2.1钢

现代汽车制造中使用最多的是钢。普通低碳钢板具有很好的塑性加工性能，强度和刚度也能满足汽车车身的要求，同时能满足汽车车身拼焊的要求，因此在汽车车身上的应用很广。但是在轻量化的浪潮下，普通低碳钢板就难以满足越来越高的环保和节能的要求。为了满足汽车轻量化的要求，钢铁企业推出系列高强度汽车钢材。这种高强度钢板是在低碳钢板的基础上采用不同的强化机制得到的，抗拉强度得到大幅增强。利用高强度特性，可以在厚度减薄的情况下依然保持汽车车身的机械性能要求，从而减轻了汽车质量。有研究表明：当钢板厚度分别减小0.05、0.1、0.15 mm时，车身质量可分别减少6%、12%、18%[1]。车用高强度钢板还具有高强度和延塑性好的特点。按照生产工艺的不同，分冷轧高强度钢和热轧高强度钢。冷轧高强度钢主要用于车身零件，包括外板(车门、发动机罩外板)、内板(车门、发动机罩内板)和结构件；热轧高强度钢主要用于车架纵横梁、车厢纵横梁、车轮、刹车盘等受力结构件和安全件[2]。

国内车企很重视高强度钢在汽车轻量化中的作用，高强度钢是长城汽车现阶段批量化使用最为广泛的轻量化材料之一；宝山钢铁股份有限公司一直致力于先进高强度钢板和超高强度钢的技术研究和开发应用，在变厚度钢板的材料特性和超轻型白车身的开发方面也开展了大量的工作；一汽集团的某款车车身高强度钢比例达到47%，碰撞达到了NCAP 4星级标准[3]；一汽大众的迈腾更是以80%的高强度钢板，为迈腾产品品质提供了保障[4]。奇瑞某款车车身高强度钢比例达到45%，车身减重10%[3]；吉利汽车某款车车身高强度钢比例达到54%，车身减重8%[3]。

2.2铝合金

添加一定元素形成的铝合金在保持纯铝质轻等优点的同时还具有较高的强度，其比强度胜过很多合金钢，是一种理想的结构材料。在汽车轻量化中，铝合金有着独特的优势：(1)铝的力学性能好，其密度为2.7 g/cm3，是钢铁的1/3，具有良好的导热性，仅次于铜，机械加工性能比铁高4.5倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性。(2)乘客的舒适性和安全性得到提高。铝合金汽车行驶更加稳定、驾乘人员感觉更舒适。由于铝材的吸能性好，在碰撞安全性方面有显著的优势，汽车前部的变形区在碰撞时会产生变形，可吸收大量的冲击力，从而保护了车上的驾乘人员。(3)铝的再生性能好。在使用过程中，铝制品几乎不会发生腐蚀或仅仅发生轻微腐蚀，工业上常规使用的材料中，铝的回收价值是最高的。在铝材-铝制品-使用-回收再生铝锭-再加工成铝材的过程中，铝的损耗也只有5%左右，其再生性能比任何一种常用金属都高。

据卓创监测数据显示：2015年1—12月份我国汽车用铝量达到312万吨，同比增长3.2%；另据欧洲铝业协会公布的资料：2014年欧洲汽车的平均铝含量150 kg，2020年可达180 kg，是用铝增长量最多的产业。从图1所示的2015—2020年全球汽车铝轮毂消费量预测可以看出，未来铝合金在汽车产业中占有重要的位置。

铝合金可用来制造车身、副车架、发动机、前悬挂、前保险杠、后备箱、车门板等汽车零部件。奥迪在车身轻量化技术领域一直处于世界领先水平，目前在售的奥迪A8L(图2)的空间框架结构(ASF)包括22%的挤压成形铝合金件、35%的高精真空铸造铝件、35%的液压成形铝合金板材、8%的强化钢材44 m无缝激光焊接和1 847个冲钻铆接，白车身质量只有241 kg，较传统钢质结构车身具有40%的轻量化优势，但其结构刚性与抗扭强度较上代产品提升了25%[5]。福特、捷豹等汽车生产商也在使用全铝车身，奇瑞汽车等也逐渐开始全铝车身的尝试。

不论是燃油经济性、环保压力，还是将要大力发展的电动汽车行业，铝代钢都将是汽车轻量化的必然趋势。

2.3镁合金

镁合金是以镁为基加入其他元素组成的一种轻合金。镁合金是工程应用中最轻的金属材料，常规镁合金如AZ91密度也只是1.81 g/cm3，约为铝的2/3、钢的1/4，接近工程塑料的密度；而且镁合金比强度高，比弹性模量大，散热性好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好，因此镁合金不仅是最适合铸造汽车零部件的材料，也是最有效的汽车轻量化材料。

由于镁合金对振动能量的吸收性能好，使用在驱动和传动的部件上可减少振动，适合用在车轮上代替塑料件；镁合金冲击能量吸收性能好，受到冲击后，镁合金能吸收冲击能量而不会产生断裂，适合用在汽车防碰撞横梁等部位来替代塑料件；它可以简单地再生使用且不降低其机械性能，这一点是工程塑料无法比拟的，因塑料很难能在不降低其机械性能的前提下再生使用。正是由于镁合金上述优点，在保证汽车安全性的情况下，使用镁合金制造汽车零部件对减轻汽车自身质量、降低汽车能耗特别有效。镁合金目前主要应用在发动机罩盖、方向盘、仪表盘支架、座椅支架、车内门板、变速器外壳、轮毂等方面。长安汽车某款车单车用镁超过20 kg，采用耐热镁合金变速箱壳体相比传统壳体减重37%，采用镁合金发动机罩盖相比传统罩盖减重33.7%[3]。

但是到目前为止，镁合金在汽车制造上一直没有得到大规模应用，究其原因，主要是因为用镁合金制造汽车零部件存在压铸成本高、废品率高的问题，生产过程中还存在安全隐患，使镁合金在汽车上的应用大受影响。

2.4工程塑料及复合材料

每辆汽车塑料的用量是衡量汽车生产技术水平的标志之一，今后的车用材料有从金属向塑料过渡的趋势。工程塑料是可作为工程材料和代替金属制造机器零部件等的塑料。工程塑料具有优良的综合性能，刚性大，蠕变小，机械强度高，耐热性好，电绝缘性好，可在较苛刻的化学、物理环境中长期使用，可替代金属作为工程结构材料使用，但价格较贵，产量较小。工程塑料的性能特点主要是：(1)与通用塑料相比，具有优良的耐热和耐寒性能，在广泛的温度范围内机械性能优良，适宜作为结构材料使用；(2)耐腐蚀性良好，受环境影响较小，有良好的耐久性；(3)与金属材料相比，容易加工，生产效率高，并可简化程序，节省费用；(4)有良好的尺寸稳定性和电绝缘性；(5)质量轻，比强度高，并具有突出的减摩、耐磨性。

可使用PA6制作空气滤清器、外壳、风扇、车轮罩、导流板、车内装饰、储水器材盖、线卡、各种车内电气接插件等；聚碳酸酯(PC)被广泛用于灯罩、汽车反射镜、挡风玻璃板 ；聚甲醛(POM)主要用作齿轮、凸轮、轴承、滑轮、扣链轮和轴衬等；聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)主要用于制造汽车发动机系统配件材料的生产、汽车分电盘和点火线圈、各种汽车外装部件、空调机风扇；改性PPO主要用于制作一些薄壁的复杂硬质结构件，如仪表盘骨架等。

车用复合材料主要指碳纤维增强复合材料。碳纤维增强复合材料有着绝佳的物理特性：比铝轻30%、比钢轻50%，强度却是钢的7～9倍，最早用于航空、航天、军工等科技高精尖领域。在全新BMW 7系的车体框架中，碳纤维增强复合材料被用于加固车顶横梁结构以及B柱和C柱、底部侧围、中央通道和后部支撑。相比上一代车型，全新BMW 7系最大减重达130 kg，成为大型豪华汽车市场智能轻量化结构的领导者[6]。增强型碳纤维复合材料的固有强度能够适应苛刻的安全要求，它的使用显著优化了全新BMW 7系的车身刚性，对于那些需要承受较大压力的车身部件效果则尤为明显。以B柱为例，在碰撞中，经过增强型碳纤维复合材料加固的B柱不会因为冲击而变形，相反地，高强度钢和增强型碳纤维复合材料的相互作用会分散冲击力，提升了车辆的安全性能。

国内，碳纤维材料是长城轻量化技术主攻的方向之一，长城正牵头组织多家整车企业，欲联合攻关碳纤维技术，推动国内碳纤维产业发展；上汽集团主要在纤维增强复合材料应用技术项目研究、复合材料应用开发能力建设方面做了大量的工作；

塑料应用虽然具有诸多优点，但相对金属材料而言，一方面，塑料材料成本偏高；另一方面，塑料部件的回收成本偏高，在回收处理过程中存在环境污染问题，特别是纤维增强热固性复合材料的回收更困难。所有这些因素都成为制约塑料应用发展的障碍。

3结束语

轻量化是一个系统工程，汽车轻量化新材料的选用原则是安全、性能、成本、环保等的综合平衡，多材料是汽车材料使用的基本战略。在汽车轻量化的大趋势下，推动多种汽车轻量化新材料发展势在必行。但轻量化绝不只是材料轻量化，需要设计技术、材料技术、制造技术集成应用才能实现，不仅仅要保证安全性、降低油耗，还要保证可靠性和成本。对我国的车企来说，既要提高自主开发能力，又要提高轻量化技术水平，只有这样，才能提高市场竞争能力。

参考文献:

【1】康永林,陈贵江,朱国明，等.新一代汽车用先进高强钢的成形与应用[J].钢铁,2010,45(8):1-6,19.

【2】王远，管奔.高强钢成形技术及其在汽车轻量化中的应用[J].新材料产业，2015(2)：31-35.

【3】汽车轻量化技术创新战略联盟网站.

【4】2015中国汽车总评榜单[OL].http://auto.163.com/15/1230/07/BC2KDCNG00084IJK.html.

【5】宝马、奥迪、奔驰横向对比测评：技术哪家强？[OL].http://auto.hsw.cn/system/2015/0811/17863.shtml.

【6】碳纤维材料让汽车身轻如燕[OL].http://auto.sohu.com/20160413/n444017368.shtml.

【7】马鸣图,魏莉霞,朱丽娟.塑料复合材料在汽车轻量化中的应用[J].化工新型材料,2011,39(11):1-3,111.

【8】曾昆.新材料在汽车轻量化中的应用[J].新材料产业,2015(2):5-7.

【9】胡朝辉.面向汽车轻量化设计的关键技术研究[D].长沙:湖南大学,2010.

【10】康斌.国外汽车轻量化研究现状分析[J].钢铁业,2014(4):17-20.

Current Situation and Trend of Automobile Lightweight Material Technology

ZHANG Yanjun

(Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510700,China)

Keywords:Automobile; Lightweight;New material

Abstract:Automobile lightweight is a key technology to enhance the competitiveness of products. To decrease the curb weight of automobile,it is necessary to adopt lightweight material.The current main lightweight materials were introduced and their characteristic and application field were analyzed,the future developing trend was expected.

收稿日期：2016-04-05

作者简介：张艳君(1977—)，女，工学硕士，工程师，讲师，主要从事科技期刊的编辑出版工作。E-mail:zhangyanjun@gmeri.com。

中图分类号:U465

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)04-083-03