汽车轻量化的技术动向

陈志耀，马天战，马丹萍

上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007

0 引言

从内燃机发明到现在，汽车的主要动力源为石化燃料。由于汽车越来越多，大量使用石化燃料产生的有害气体排放以及温室气体引发的环境问题、气候问题变得越来越严重。由于国家加强环境规制以及人们对汽车的安全性、便利性等要求的提高使得汽车产业趋于动力源电气化、汽车智能化、汽车轻量化。动力源电气化，即从内燃机往电机、电池方向；汽车智能化，即汽车由辅助装置变成先进的运行装置；汽车轻量化，即汽车由铁质车身往轻量化材料车身推进。

本文对高强钢、铝及复合材料3种汽车轻量化材料进行了研究，并给出了汽车轻量化材料相关技术动向以及轻量化趋势。

1 汽车用轻量化材料的概述

1.1 汽车用轻量化材料的简介

国内外为了应对强化的燃比法规以及缓解环境问题，深度研究了可以让汽车减少有害气体排放的轻量化材料。

一般来说，车子的车身材料为钢材。如果钢材达到高强度后，可以增加车身的刚度并提升其稳定性。高强钢对比一般钢材来说，即使减少了厚度也能维持其强度，因此在保持车身相同性能的情况下，高强钢车身质量更轻，汽车的燃油效率也会更高。

对于新能源汽车中的电动汽车，为了增加汽车行驶里程及性能，需要增加电池数量或质量，这样在保持相同性能的同时，就需要汽车的轻量化。在市场需求的推动下，高强度钢材、铝合金-镁合金以及作为高分子材料的碳纤维增强塑料CFPR等多种轻型材料在汽车上使用的频率越来越高。

1.2 汽车轻量化方法

汽车轻量化的方法主要有3类，即结构的轻量化、工艺的轻量化及材料的轻量化。

汽车轻量化方法的划分以及相关类别的优缺点及使用见表1。

表1 汽车轻量化方法的划分以及相关类别的优缺点及使用

汽车轻量化的方法各有优缺点，其中轻量化效率最高的是材料轻量化。

一般汽车各材料的使用比例为：钢铁占64%，高分子及复合材料占9%，铝占8%，弹性材料占4%，玻璃占3%，铜占2%，其他材料占10%。而关于各部位的种类比例，以钢材为主材的动力总成、车身、底盘以及悬挂部分占比超过整车的70%。因此，通过材料进行的轻量化，效果显著。

1.3 汽车轻量化材料分类

针对汽车轻量化的适用材料，考虑到量产型及价格竞争力，高强度钢材、铝、碳纤维复合材料是目前各个汽车企业广泛使用的，且材料技术还在积极开发研究中。

钢铁材料是占据汽车大部分质量的经典金属材料，比一般钢材抗拉强度要好的高强度钢材的使用也在各汽车企业中扩大，而且以钢材为中心的技术是汽车企业的主要研究方向。

铝的密度大约是钢材密度的34%，轻量性很突出，耐腐蚀性以及热传导性能也很优异，是可以替代钢铁材料的轻量化材料。

碳纤维复合材料(CFRP)是在高分子树脂中以碳纤维来加强成型的材料，作为对轻量化有贡献的新型材料而受到热切关注，它的使用也渐渐有增加的趋势。汽车轻量化材料分类见表2。

表2 汽车轻量化材料分类

对比一般钢材相对质量及费用，以一般钢材为基准，超高强度钢轻20%，铝轻40%，碳纤维复合材料轻50%。材料费用从低到高的顺序为一般钢板、高强度钢板、铝、碳纤维复合材料。轻量化材料相对质量及相对费用如图1所示。

图1 轻量化材料相对质量及相对费用(资料来源：Grand View Research,2019)

2 汽车用轻量化材料的技术动向

2.1 高强度钢材

钢材是占汽车质量50%以上的重要材料。为了给汽车减重，比一般钢材抗拉强度高2倍以上的高强度钢的使用在汽车企业中愈发增多，它是目前为了实现轻量化而主要研究的材料。

钢材的划分一般是以抗拉强度来进行分类的，具体分类见表3。

表3 高强度钢的分类

目前行业内正在研究改善加工性以及提高强度的技术，用于开发随着用途不同而具有多种强度及延伸率的高强度钢材。例如：先进高强度钢中的双相钢，最大可以达到1 GPa的抗拉强度，并具有优秀的延伸率；FB钢最大可达980 MPa的抗拉强度以及30%的延伸率。而超级高强度钢中，例如：相变诱导塑性钢(TRIP)具有较高的抗拉强度和良好的成形性，主要使用在同时要求强度与延伸率都很高的仪表板上;孪生诱发塑性钢(TWIP)具有优秀的延伸率，主要使用在碰撞时能吸收冲击的保险杠、A柱、制动盘等地方。

特斯拉Model3就使用了大量的高强度钢，如图2所示。

图2 Model3汽车车身用材分布

2.2 铝及铝合金

从1970年开始，汽车发动机组上就开始使用铝铸材料了。而现在，铝材在汽车的发动机罩、翼子板、顶盖、车门等部位也大范围被使用。铝材作为可以替代钢材的轻量化材料而备受关注。

与钢材相比，铝材轻量性较佳，耐腐蚀性及热传导性较好，但价格相对钢材更高，且强度比钢材弱。为了提升铝材的机械性能，开发了多样化的合金制造技术。根据铝的纯度，可分为1000系、2000系、3000系、4000系、5000系、6000系、7000系等。而强度以及成型性较为优越的5000系、6000系、7000系被开发用作汽车用合金板材。

5000系合金为铝-镁合金，其强度较高，成型性较为优秀。但在高温开裂方面较为薄弱，表面容易产生拉伸应变痕。铝-镁合金在汽车上主要用作汽车内板。汽车上主要使用5182-O、5182-SSF系列铝合金。

6000系合金为铝-镁-硅合金，即在铝中添加了镁和硅来进行热处理的合金，主要使用在需要刚度较好的车身外板上。汽车上主要使用该系合金为6111、6022、6023合金。

7000系合金为铝-锌-镁合金。该合金的强度与钢材的强度(500 MPa以上)相当，同时具有良好的延伸率。7075合金是常用于汽车高强度车身零件的7000系合金，它具有480 MPa的抗拉强度、20%的延伸率，性能优越。

铝合金在汽车上使用的经典案例，如特斯拉Model S，其整个车身均为铝合金，如图3所示。

图3 Model S铝合金车身

2.3 碳纤维复合材料

复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成，使其表现出更有用的功能材料。复合材料不仅保持各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能。

碳纤维复合材料(CFRP)是在高分子树脂中增加加强碳纤维的、适用于轻量化的复合材料。CFRP不会生锈，抗拉强度是铁的5倍以上，密度不足铁的1/4，是机械性能非常优秀的材料。

适用于汽车用的CFRP上的碳纤维是聚丙烯腈(PAN)系列,其抗拉强度为3～7 GPa，弹性率为200～700 GPa。而超高强度钢材的抗拉强度最大为2 GPa，弹性率为200 GPa。因此可以说CFRP的材料性能是非常优异的。CFRP比钢铁轻60%，比铝轻30%，而且该材料绝对不会生锈，鉴于其高强度，也可以用在汽车上和碰撞相关的部件。

CFRP在汽车上使用的经典案例，如BMW I8以及BMW I3，其整个车身均为CFRP，如图4所示。

图4 BMW I8和BMW I3的CFRP车身

3 汽车公司的轻量化动向

为了应对燃比法规以及缓解环境问题，世界各个汽车制造公司在车身上积极导入高强化钢、铝以及CFRP等轻量化材料，并引进先进的轻量化技术。

美国FORD主力皮卡车F-150，为了满足燃比法规以及提升燃效，整个车身采用铝材，质量比现有车减少了340 kg。美国特斯拉Model S通过轻量化来提升车辆行驶里程，整车车身采用铝材。本田雅阁为实现车身轻量化，车身的29%使用了高强度钢，其他部位大量使用铝-镁合金、高速钢等，质量比现有型号减少125 kg。现代讴歌TLX车身的52%使用了高强度钢材，使车身实现了轻量化。丰田雷克萨斯LS为实现一般乘用车与混动车的轻量化，在汽车外板及内板等覆盖件上使用了铝制材料、CFRP，同时车身上大量使用了高强度钢。德国奔驰公司为了实现铝-钢、CFRP-钢的混合搭接技术，从基础研究到量产花了5年时间进行技术开发，同时这项技术使用在了SL-CLASS以及C-CLASS上。BMW I3为实现轻量化提升续航能力，整个白车身使用CFRP与铝合金，整车质量减轻350 kg；同时2015年BMW 7系车采用了高强度钢、铝合金、CFRP多种材料结合，质量比之前减轻了150 kg。

随着轻量化技术越来越成熟，各个汽车企业也对轻量化的使用越来越频繁。在今后的市场上，轻量化技术必将是各个汽车企业的重点研究方向，也必将看到越来越多的轻量化汽车。