非金属材料在汽车轻量化中的应用浅析

2024-04-22杨振环李秋魁贺丽丽张浩悦晋飞

时代汽车 2024年4期

杨振环　李秋魁　贺丽丽　张浩悦　晋飞

摘要：在碳达峰碳中和的背景下，汽车轻量化具有极其重要的意义。文章从汽车轻量化的技术路线着手，对非金属材料在汽车轻量化中的主要应用方向进行了梳理，主要包括：以塑代钢、以塑代塑、薄壁化、微发泡。对每个技术方向例举相关使用案例并进行了粗略分析，给出了现有技术汽车轻量化方向以及未来汽车轻量化趋势，最后对非金属在汽车轻量化的方向进行了总结。

关键词：新能源汽车轻量化非金属材料以塑代钢复合材料

1 前言

在国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见中，中国将力争在2030年前实现二氧化碳的排放达到峰值，在2060年实现碳中和，而汽车产业是推动实现碳达峰碳中和的重要领域[1]。中国汽车工程学会主导修订的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》围绕着产业总体大技术发展方向制定了“1+9”技术路线图，主要围绕着节能汽车、纯电动与插电混动、氢燃料电池、智能网联、动力电池、轻量化、智能制造等多个分支。对于轻量化系数总体目标，要求2035年燃油乘用车轻量化系数降低25%，纯电动乘用车轻量化系数分别降低35%[2]。对于新能源汽车来说，轻量化最重要的意义是提升续航里程，减少电池成本。由于电池增重较大的原因（增重约200kg），新能源汽车整车重量普遍高于同级别燃油车，当前消费者对纯电动车始终有续航焦虑，所以对于轻量化系数优化的需求更加强烈。根据相关文献，汽车每减重10%，可节省燃油6%～8%，纯电动汽车重量每减少100Kg，续航里程可提升10%左右[3]。除此之外，更轻的整车质量，可带来更好的制动性能、更佳的加速性能以及更大最大时速等动态参数，车辆减轻后，可以选用更小的电池，进一步扩大其优势。

2 汽车轻量化方案

根据技术路线图2.0，汽车轻量化主要分为结构优化、工艺优化、材料优化三个维度，如图1所示。结构轻量化，根据设计变量及优化问题类型的不同，主要可分为拓扑优化、尺寸优化、形状优化、形貌优化四种。在21世纪后，随着CAE技术的成熟， CAE技术开始广泛应用于汽车零部件及整车的设计，基于CAE分析的结构优后广泛应用于汽车行业[4]。

工艺轻量化，是通过工艺实现材料性能的提升、形状和形貌的优化等。为使高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料等新材料实现汽车轻量化，需要有相应的工艺来进行匹配。由特斯拉最先量产使用，目前各主机厂都在推广的一体化压铸就是典型的结构轻量化与铝合金工艺轻量化案例。其他工艺轻量化主要有：不等厚度轧制板，低压铸造成型，超高强度钢热冲压成型，辊压成型等。另一个方面，多种材料复合车身对车身连接技术带来新的挑战，为解决新能源汽车轻量化车身连接的主要技术路径有：MIG/MAG焊、自适应电阻点焊、激光焊、激光电弧复合焊技术、搅拌摩擦焊、锁铆、冲铆连接（TOX无钉和SPR有钉冲铆）、自攻螺接FDS及胶接或联合使用几种方法完成轻量化车身连接[4]。

根据技术路线2.0规划，我国自主轻量化技术开发与应用体系的构建，近期以完善高强度钢应用体系为重点，中期以形成轻质合金应用体系为方案，远期形成多材料混合应用体系为目标[2]。作为最主要的车身材料，高强度钢目前已广泛应用在车身，在图3的哪吒S中高强度钢的在车身中比例已达到76%以上，其中热成型钢的比例达到29%。在2023年上海车展展示沃尔沃XC90白车身，热成型钢比例达到了38%。

铝合金相较于钢，质量更轻，耐腐蚀性能更好。在门板、防撞梁、轮辋、电池PACK壳体等部位大量替代钢使用，捷豹XJ、奥迪A8特斯拉Model S、宝马7系都推出过全铝车身，但过高的材料成本及较复杂的工艺限制了其进一步使用。

镁合金是目前在工业应用中密度最低的材料（约1.8g/cm3），已有超过60多种镁合金零部件在汽车上应用，如CCB骨架、方向盘骨架、座椅骨架、轮辋、门板框架等。镁的力学性能不同于钢和铝，抗压非对称性、各向异性及应变率敏感性加大了其结构设计复杂性及工艺难度[5]，同时高昂的材料成本及较弱的防腐性能也限制了其使用。

3 非金属材料在汽车轻量化中的应用

一般我们所说非金属材料，是指塑料复合材料。相较于金属材料，非金属材料密度小、比强度高、耐腐蚀、成型性好、加工成本低、减振吸能性好、轻量化效果明显等优点。非金属目前已经广泛应用于内外饰件及部件功能件（见表1）。

在汽車内外饰中，使用最多的高分子材为PP，PC+ABS，PU，ABS等，而PA、POM、PPO、PBT等更多的作为结构件或功能件在汽车中使用。非金属材料因为其特有的性能，在汽车中所占比重越来越大。但对我国汽车行业来说，非金属材料应用尚处于初级阶段，发挥非金属材料的轻量化巨大优势，汽车零件的以塑代钢已成研究热点。本文将按照非金属材料轻量化侧重点的不同将其分为4个方向进行分析：以塑代钢、以塑代塑、薄壁化、微发泡。

3.1 以塑代钢

为达到汽车结构件、功能件的强度等要求，通常需要对塑料进行增强改性。塑料强度提高最主要的技术方向是纤维增加复合材料的使用。纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Plastics，FRP）主要将纤维与黏结性树脂进行胶合，再经过模具成型得到性能优异的复合材料，其中纤维材料对于FRP性能的提升起着重要的作用。目前，玻纤、玄武岩纤维、碳纤维、植物纤维、芳纶等纤维用于FRP在汽车领域受到广泛关注与应用。按聚合物中纤维的长度可对FPR进行分类：短纤维增强材料（纤维长度0.2mm～10mm），长纤维增强材料（纤维长度10mm以上）和连续纤维增强材料。

电动汽车的核心部件是动力电池PACK，占整车质量18%～30%，而箱体质量约占电池包总质量的10%～20%，电池壳的轻量化是增加电动汽车续航最主要也是最高效的措施。电池PACK上壳体是目前纤维增强复合材料在汽车中应用最广泛的部件。根据车型定位与设计要求，电池PACK上壳体由最初的钢或铝合金向各类复合材料转换， LFT-D，PCM、SMC、HP-RTM、WCM、STM、CFPR等复合材料因各自优点在不同的新能源车型上均有使用。其中，采用万华、科思创、亨斯迈PU的HP-RTM电池箱上盖，整个壳体平均厚度在1.5mm 左右，最薄可以做到0.8mm，并可通过UL94-V0及耐外部火烧试验。此方案综合了减重效果、性能、价格、成型周期的优势，未来可能是非CTB/CTC方案的电池上壳体的首选。

汽车前端框架主要承载冷却模块及发动机罩锁等总成零部件。随着汽车模块化、集成化、轻量化方向发展，周边越来越多的零部件都安装固定在前端框架上。前端框架由金属发展到铝塑结合，再到GMT模压，进而优化到PP+LGF注塑，是目前以塑代钢有效实施的轻量化方案之一，已经实现约70%的普及率。塑料骨架极佳的成型自由度，突破了大部分钣金件的结构约束，具有极高的集成性，大大的缩短了部件生产周期，降低总装线生产成本，减重达到40%。

汽车后防撞梁，已有不少厂家使用GMT玻璃钢或LGF-G等材料替代钢铝合金，能有效减少40%的重量，并且强度优于市面上常用的C型钢板后防撞梁。

因SUV车型更容易发挥塑料尾门轻量化、集成化、造型设计自由的优势，越来越多主机厂将尾门材料转向SMC到第三代PP-LGF内板和PP+TD30/20外板的组合，代表车型有奇骏、哪吒U等。

轻质增强热塑性塑料（Light-weight reinforced Thermoplastics， LWRT）以PP纤维和玻璃纤维为原料，通过开包、梳理、铺网、针刺、热压而成的复合材料。与传统GMT材料相比，LWRT保留了GMT材料的高比强度、低导热系数、小尺寸变化率、可回收等优点，并可大大降低部件的质量和成本，同时提高其吸声性能。目前LWRT广泛应用于底护板及衣帽架等。

短玻纤增加复合材料方面方面，铝塑CCB方案，由全钢替换为铝合金与PA6+GF结合，降低了产品重量，优化工艺难度。PA6+GF替代金属的电子加速踏板方案，减重约35%，已经在行业内普遍使用；还有采用PA6+GF50等高比例玻纤产品，在电机悬置中大量使用；丰田塞纳及坦途采用PA6+GF50，用于后排座椅骨架，达到轻量化同时有效降低成本。

炭纤维增强复合材料（Carbon fiber reinforced polymer， CFRP）密度是钢的20%，铝的57%。CFRP高强度，高模量，优良的震动阻尼，同时拥有优異的力学性能、环境耐候性、尺寸稳定性、可设计性、高吸能效率及减震性，是最有发展前景的汽车轻量化材料[6]。CFRP在汽车中的应用始于20世纪50年代在F1赛车上作为车身材料，随着碳纤维成本的下降与制造工艺的不断成熟，CFRP在汽车工业中的应用将逐渐由赛车、跑车及高档豪华车向普及型汽车发展。宝马是引领CFRP进入量产汽车领域的先行者。宝马碳纤维应用研究始于1999年，2014年交付的i3则首次将CFPR在量产车型推广。自此，在i3/i8、7系、ix上开启了Carbon life module、Carbon core到Carbon cage的原创与进化。

国内车企中，蔚来ES6使用碳纤维后地板总成、座椅板总成、后地板横梁总成三大部件，埃安Hyper-SSR采用的100%炭纤维碳覆盖表面。

同时奔驰、合众、BYD、吉利、零跑等众多车型也大量采用碳纤维外饰运动套件及内饰装饰件。目前，CFRP在汽车工业中的大规模应用主要难点在于碳纤维成本过高（见表2），其次成型工艺复杂，生产效率低，进一步推高了CFPR部件的成本。

3.2 以塑代塑

3.2.1 长玻纤材料替代短玻纤材料

和短纤维相比，长纤维（LFT）可以在塑料产品中形成3D纤维网络，使产品具备很高的硬度和韧性：表面质量高、力学强度高、耐高温、抗冲击、抗疲劳、低蠕变、低收缩、低翘曲和低摩擦损耗等，并且注塑件中各向同性要优于短纤维。使用LFT后，可以做到更薄的设计。目前LFT技术主要应用于前端框架、制造后背门内板、仪表板骨架、底护板、备胎舱、后防撞梁等汽车零部件。

3.2.2 天然植物纤维使用

随着生活水平的提高，绿色环保材料在汽车中应用越来越广。麻纤维复合材料具有轻质环保，可降解，力学性能及减振降噪性能优良等特性，在汽车中已得到了广泛的应用。沃尔沃、吉利、宝马、丰田等汽车厂已在各自量产车型中将麻纤维应用于门护板、衣帽架、座椅背板等。相较PP材料，麻纤维复合材料能降低30%重量。

竹纤维为纤维增强体，以聚丙烯等热塑性树脂为基体，可以采用非织造工艺和热压工艺制备的汽车门板、衣帽架、顶棚、后备舱侧板等汽车用内饰材料，但因为强度、工艺、气味等问题，目前竹纤维复合材料更多处于研究阶段。

3.2.3 低密度材料替代高密度材料：

塑料可以通过减少其矿物填充来达到降低材料密度，实现轻量化目的。部分主机厂在门板或立柱使用PP-EPDM-TD10或PP/PE-T5替代常规PP-EPDM-TD20。为实现低密度替代，需要提高材料刚性，通常使用高结晶PP来提高材料刚性的同时并保证冲击强度。美孚等公司已经在北美地区实现无矿物填充PP汽车门板和立柱量产，可将PP密度由1.06g/cm3降到0.90 g/cm3。

3.3 薄壁化

薄壁化本质上属于结构优化，但需要对材料和工艺改进来突破传统设计壁厚。汽车保险杠及门饰板是汽车使用薄壁化技术最成熟的部件，保险杆一般3.0mm厚，使用薄壁化技术可降低到2.5～2mm，门护板可以通过薄壁化技术从2.5mm厚度下降到2.0～1.5mm，在轻量化的同时有效降低本。为实现薄壁化，在工艺上需要使用表面气辅技术：模腔内，产品充满后，在制品冷却凝结的过程中由模具型芯侧向产品反面吹气，气体推动熔融塑胶继续充填满型腔，用气体保压代替塑胶保压，高压惰性气体存在于产品反面和模具后模钢材表面，对模具制造与设计要求更高[9]。薄壁化材料较普通注塑材料则要求高流动性、高韧性、高强度及高刚度，使制品达到减薄前的刚性要求。薄壁化减重效果明显、零件成本基本不变、技术难度较低，是极优的的轻量化方案，可结合低密度方案一同进行。

3.4 微发泡

常规发泡材料已在汽车中广泛应用，如EPP应用于行李箱工具箱、保险杠缓冲块，PU发泡应用于座椅、顶棚等。常规发泡因其孔径较大，通常不归于微发泡。微孔发泡塑料定义为泡孔直径小于10μm、泡孔密度在109～1015个/cm3的一种新型材料。相对于未发泡塑料，微孔发泡塑料的独特结构使其在冲击强度、韧性和抗疲劳等方面具有优良的性能，同时有热稳定性高，介电常数低，热导率低，隔音性能好等优点。

微孔发泡成型原理主要有两点：当微孔发泡塑料中泡孔尺寸小于塑料内部的裂纹时，微孔的存在将不会降低塑料的力学性能；同时，微孔的存在将使塑料中原来存在的裂纹尖端钝化，有利于阻止裂纹在应力作用下扩展。微孔发泡的核心在于利用热力学不稳定性产生很高的成核率，并且成核率要远大于泡孔生长的速度[13]。

据发泡剂的不同可将发泡工艺分为分物理发泡和化学发泡。化学发泡是对加入塑料中的化学发泡剂进行加热使之分解释放出气体而发泡；或者利用各组分之间化学反应释放出的气体而发泡（如PU发泡）。化学发泡技术以其成本低，设备要求低等优势近年得到广泛研究。化学发泡可以结合模芯后退技术，达到减轻材料密度，密实表面的要求。

物理发泡利用物理的方法来使塑料发泡，主要包括3种模式：1）先将惰性气体在压力下溶于塑料熔体或糊状物中，再经过减压释放出气体，从而在塑料中形成气孔而发泡；2）通过对溶入聚合物熔体中的低沸点液体进行蒸发使之汽化而发泡；3）在塑料中添加空心球而形成发泡体而发泡。目前第一种发泡方法发展最快，以Trexel公司的MuCell微发泡注塑成型工艺表现得尤为突出。MuCell核心即采用超临界流体Super Critical Fluid， SCF）为发泡剂，发泡剂在聚合物中形成均匀分布的微小气孔，通过压力控制气泡的生长使树脂形成泡孔均匀的微孔结构。微发泡制品内部几无任何残余应力，其制品的翘曲和变形得到很好的抑制；由于能有效地防止收缩痕，因此对制品壁厚均匀度要求大大降低，大力提升了制品设计空间。熔体的发泡可补偿模具壁上的收缩，因此，发泡所需的合模压力相对低很多；与此相通的内部模具压力也比传统注塑的注塑压力大幅降低，从而熔体和模具温度也相应降低，最终表现为保压和冷却阶段的时间降低。通过发泡技术，可以缩短15%-30%成型时间，降低20%的制品重量，是汽车轻量化的优良解决方案。物理微发泡玻纤增强材料在仪表板骨架，化学微发泡材料用于尾门、行李箱侧围等都有了相关的量产应用。

4 结束语

与金属材料不相同，非金属分子的结合键是共价键和氢键，并且分子量较大，所以非金属材料密度低（1.0～2.0g/cm3），比强度高，模量较低，绝缘性和耐腐蚀性好，温热性差、容易老化。由于其应变应力曲线没有明显的屈服，其零件或构件的失效应力为强度极限，也即断裂准则。因非金属材料一般会添加矿物、弹性体及纤维进行增强改性，随着注塑挤出，会有明显的各向异性，补强材料分散不均还会导致非均质问题，使所测得力学性能离散性较高，为应对其离散性高的问题，一般会选择一个较高的安全性系数。

为准确评估非金属材料对零部件失效风险，需要将零件功能与结构的要求精准对应到材料要求中。主机厂通常采用搭建材料数据库的方法，将材料的基本力学曲线及物理性能、力学性能、加工性能、热学性能、电性能、环保性能等纳入材料数据库中，在设计选材时，将结构需求与其材料特性进行匹配。

“将合格的材料用在合适地方”是汽车材料轻量化的关键，“多材料混合应用体系”是汽车轻量化未来目标。多材料混合应用体系对汽车产品的设计、材料开发、工艺优化带来新的挑战，特别是原材料的性能、成本是汽车研发工程师选材、用材的决策关键。针对目前新材料应用现状，一是可以通过新材料基础性能改善、提升规模效益来优化成本，二是通过推动新材料及新工艺数据库建设工作，选材用材将其放在整车性能的框架下去评估。未来，多材料混合应用的技术路线一定是多样化的，每个汽车主机厂都会结合自身优势、综合考虑各种材料性能及成本，形成自己独特的材料体系。

参考文献：

[1]国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知：国发〔2021〕23号[A/OL].（2021-10-26）[2023-06-08]. https：//www.gov.cn/zhengce/content/2021-10/26/content_5644984.htm.

[2]节能与新能源汽车技术路线图2.0 [D].北京：中国汽车工程学会，2020-10-27.

[3]Weng Y，Dong H，Gan Y.Advanced Steels || Lightweight Car Body and Application of High Strength Steels[J]. 2011， 10.1007/978-3-642-17665-4（Chapter 20）：187-198.

[4]范子杰，桂良进，苏瑞意. 汽车轻量化技术的研究与进展[J]. 汽车安全与节能学报， 2014，5（1）：16.

[5]陈志耀，马天战，马丹萍. 汽车轻量化的技术动向[J]. 汽车零部件，2022（008）：000.

[6]陈杨. 碳纤维复合材料在汽车轻量化中的应用[J]. 中国科技期刊数据库工业A，2021（9）：2.

[7]段文，孔祥鑫. 碳纤维复合材料在汽车轻量化领域中的应用进展[J]. 汽车零部件，2023（4）：4.

[8]轻量化材料在底盘结构件设计中的应用研究.

[9]孙伟. 薄壁化注塑技术在汽车零件上的应用[J]. 时代汽车，2020（11）：2.

[10]陈志耀，马天战，马丹萍. 汽车轻量化的技术动向[J]. 汽车零部件，2022（008）：000.新能源汽车电池包箱体结构的轻量化研究现状.

[11]王利刚，李军. 我国汽车轻量化材料“十三五”时期发展回顾及未来展望[J]. 新材料产业， 2020.

[12]杨桂英，赵睿，肖冰，等.碳纤维复合材料在汽车轻量化中的应用[J]. 当代石油石化，2020，28（10）：5.

[13]余鹏，樊丽君，杨永潮，张杰，郭宇芳，陈绪煌.基于超临界流体发泡技术制备开孔型微孔塑料的研究进展[J]. 高分子材料科学与工程，2020，36（10）：10.

[14]李静莉，罗世凯，沙艳松，等.超临界流体微孔发泡塑料的研究进展[J].工程塑料应用，2012，40（3）：5.DOI：10.3969/j.issn.1001-3539.2012.03.025.

[15]唐伊文，吕明福，郭鹏，等.聚丙烯挤出物理发泡的研究进展[J].石油化工，2022，51（5）：593-600.