基于生命周期评价的车身材料分析*

马洋洋 郝卓 汪庆云

（长安大学汽车学院）

生命周期评价（LCA）方法被认为是研究CO2排放行之有效的方法，前人的研究已得到了材料的CO2排放数据，但未结合车身材料的轻量化做出分析。文章结合专用的GaBi建模软件，分析研究普通低碳钢、镁合金、铝合金、碳纤维4种车身材料的原材料获取阶段的CO2排放，得到排序；另外，汽车车身材料轻量化是目前可行的节能减排的手段之一，文章结合材料的性质，对车身材料的轻量化发展做出合理预测，为政府、企业的决策提供了依据。

1 生命周期评价概述

生命周期评价（LCA）是一种用于评价产品、工序和与服务相关的环境因素及潜在影响的工具[1]，该工具通过汇编研究对象的相关能源和材料投入以及其环境释放的清单、评价与研究对象相关的潜在环境影响及解释结果以帮助政府、企业作出明智的决策。生命周期评价系统关系图，如图1所示。通过原材料收集、产品制造、运输、使用以及最后的回收报废这一生命周期分析，可有效获得对环境的潜在影响分析。LCA方法可帮助企业从其生产和使用流程中获取最大价值，并将可持续性和安全性融入企业的生产制造中。

图1 生命周期评价系统关系图

2 车身材料的生命周期评价

2.1 车身材料生命周期评价目标

通过对普通低碳钢、镁合金、铝合金及碳纤维4种不同的车身材料进行生命周期评价，得到这4种不同车身材料的CO2排放，分析比较各材料的节能效果并作出排序，找出4种材料中对环境影响最小的车身材料。

2.2 车身材料的碳排放

汽车车身主要由车身壳体和车门等组成，通过使用铝合金、镁合金或碳纤维等低密度材料来代替车身中的钢材，可以大大减轻汽车质量，从而改善燃料消耗[2]。为了解上述材料的CO2排放与减轻车身质量方面的关系，文章主要研究了普通低碳钢、镁合金、铝合金、碳纤维4种材料组成的车身壳体，并分析了其原材料获取阶段的CO2排放。

假设CO2排放只受车身材料的质量影响，文章运用GaBi软件建模，得到获取单位质量原材料的CO2排放量，如图2所示。

图2 单位质量原材料获取阶段的CO2排放图

从图2可以看出，单位质量铝合金所产生的温室气体排放量约为普通低碳钢所产生的温室气体排放量的6倍；对于镁合金和碳纤维而言，所产生的温室气体排放量差异值则更大。即相比普通低碳钢、铝合金、镁合金甚至碳纤维等低密度的材料会使CO2排放量大大增加。

3 车身材料的发展趋势

汽车行业普遍认为，汽车质量每减少100 kg，油耗会减少0.5 L/100 km，CO2排放可减少1 kg/100 km[3]。伴随着节能降耗呼声的日益增高，汽车开始追求轻量化，又因车身材料的轻量化对汽车轻量化有着很大的影响（白车身质量一般占整车质量的40%左右），因此，汽车车身材料的轻量化发展对推动汽车技术发展具有重要意义。

汽车车身轻量化是指在不改变车身的强度、安全性能和使用性能的条件下，尽可能地降低车身质量[4]，因此，车身材料可选用高强度材料和低密度材料。

1）高强度材料代替低强度材料。目前，车身大多使用的是高强度钢板，这种钢板在保证了普通低碳钢板优势的基础上，大大地增加了钢材的强度，同时减轻了汽车的质量。

2）低密度材料代替高密度材料。铝合金材料是汽车车身轻量化的首选材料，它具有质量轻、强度高、回收再利用率高及能量吸收性能较高等优势。

此外，金属镁在现有结构金属中密度最小，是铝的2/3，不到钢或铸铁的1/4，相比于铝合金，车身质量可减轻20%左右；另外，镁合金具有更高的比强度及优良的减振性能，是汽车轻量化发展中最具潜力的结构材料。

文章只研究了原材料获取阶段的CO2排放，分析发现，在获取原材料阶段的CO2排放与车身材料的轻量化是矛盾的，因此，合理选择材料即是选择CO2排放与材料轻量化的最佳组合。

4 结论

1）文章基于科学的生命周期评价方法，结合专用GaBi建模软件，得到普通低碳钢、镁合金、铝合金、碳纤维4种材料的CO2排放排序，得出普通低碳钢在原材料获取阶段的CO2排放最少，对制造业有一定的实用意义。

2）分析发现，铝合金及镁合金是汽车轻量化的理想材料，对节能减排有着重大意义。将车身材料的生命周期排放与车身轻量化结合起来，得出汽车制造商可以以普通低碳钢为基础，用铝合金、镁合金代替车身中的部件，以满足CO2排放量低、汽车质量轻的要求，为节能减排做出贡献。