大力开发汽车轻量化材料

曾昆

近年来，节能减排和绿色发展一直是学界、产业界和政府关注的重点。飞速发展的汽车产业是能耗和碳排放大户，因而推动汽车轻量化发展成为必然趋势。在降低油耗和减少排放的要求下，减少交通运输工具自身重量是最有效措施之一。而交通运输工具减重就是在保证交通运输工具强度和安全性前提下，尽可能降低交通运输工具整备质量，从而提高其动力性，减少能耗和污染物排放。

目前，汽车轻量化的途径主要有三个：一是优化结构设计，二是使用轻量化材料，三是应用先进制造工艺。其中，轻量化材料是为了达到轻量化目的而采用的更低密度和更高强度的材料。

在节能减排大趋势下，许多国家政府制定了轻量化发展规划，不断提高燃油经济性标准和二氧化碳减排的要求，鼓励汽车厂商加大轻量化车型的研发，扩大轻量化材料应用。2014年，美国从国家层面成立了“面向未来轻量化创新中心”。未来十年，欧洲车企的目标是进一步减轻车身重量，力争实现减重20%目标。2015年丰田发布“丰田环境挑战2050”战略，其中涉及汽车轻量化领域的技术革新。日产公司的目标是从2014年开始，汽车质量每年减少3.4%-3.8%，到2020年减少20%-30%。

就我国而言，汽车行业起步较晚，汽车轻量化发展时间短，轻量化制造工艺和相关技术、轻量化材料研发和应用等与国际先进水平相比还有一定差距。但在节能减排和绿色发展的要求下，随着我国汽车保有量的日益增加，政府对汽车燃料消耗和排放的要求越来越高，倒逼汽车轻量化发展，带动了我国轻量化材料的快速发展。

目前，我国从政府到企业在轻量化材料研发方面投入了大量的人力、物力和财力，涌现了一批研究成果，推動了轻量化材料的技术进步。在国家政策的鼓励下，我国汽车企业一直进行轻量化技术的研发和应用，在轻量化材料应用上取得了积极的进展，上汽、长安汽车等车企轻合金材料应用范围逐步扩大。

就发展趋势而言，轻量化材料的发展方向和趋势与汽车发展方向和趋势密不可分，未来，汽车发展呈现低碳化、信息化与智能化三大发展趋势。低碳化要求汽车通过改变燃烧方式、使用替代燃料、提高混合度、车身及零部件轻量化等方式减少能源消耗，降低排放。信息化是通过移动互联网、V2V、V2X等新一代通讯技术提高车联网水平，满足用户的信息获取需求。智能化是利用大数据与机器智能等实现ADAS与无人驾驶，将驾驶员解放出来，提高驾驶的安全性。

为满足汽车低碳化发展要求，各种轻量化材料的性能将进一步优化，成本进一步降低，材料选择将更加多元化。2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》显示，未来我国汽车轻量化发展大致经历三个阶段，不同阶段轻量化材料呈现不同的发展趋势。

第一，高强钢占据主导地位，应用比例达到50%以上。第一阶段为2016年至2020年，实现整车比2015年减重10%。这一阶段重点发展超高强度钢和先进高强度钢技术，包括材料性能开发、轻量化设计方法、成型技术、焊接工艺、测试评价方法等，开展铝合金板材冲压制作技术研发并在车身得以实践，研发不同材料的连接技术；适当应用铝合金、镁合金和纤维增强复合材料。到2020年，实现高强度钢在汽车应用比例达到50%以上，单车用铝量达到190公斤，单车用镁量达到15公斤，碳纤维增强复合材料成本比2015年降低50%，使用量有所扩大。

第二，钢铝多种材料混用，单车用铝量大幅增加。第二阶段为2021年至2025年，实现整车比2015年减重20%。这一阶段重点发展第三代汽车钢和铝合金技术，实现钢铝多种材料混合车身，全铝车身大范围应用，铝合金覆盖件和铝合金零部件的批量生产和产业化应用，同时加大对镁合金和碳纤维复合材料零部件生产制造技术的开发，增加镁合金和碳纤维零部件的应用比例。到2025年，实现第三代汽车钢应用比例达到白车身重量的30%，单车用铝量超过250公斤，单车用镁量达到25公斤，碳纤维增强复合材料成本比第一阶段降低50%，使用量占车重的2%。

第三，镁合金和碳纤维复合材料技术实现突破，实现大范围应用。第三阶段为2026年至2030年，实现整车比2015年减重35%，重点发展镁合金和碳纤维复合材料技术，解决镁合金及复合材料循环再利用问题，实现碳纤维复合材料混合车身及碳纤维零部件的大范围应用，突破复杂零件成型技术和异种零件连接技术。到2030年，2000MPa级以上钢材有一定应用比例，单车用铝量超过350公斤，单车用镁量达到45公斤，碳纤维增强复合材料成本较第二阶段降低50%，使用量占车重5%。