汽车各类轻量化新材料工艺的发展与应用

雷新春

摘 要：汽车轻量化是实现节能、减排的重要技术措施之一。本文以分析汽车轻量化材料为切入点，分别对钢铁、铝及其合金、镁材料、塑代钢、纤维增强复合材料等在汽车中的应用进行分析，并对各种材料工艺的应用前景加以论述。为人们了解当前及今后汽车制造业材料应用发展提供参考。

关键词：轻量化;新材料;汽车;应用

减少汽车燃料消耗以及降低。汽车排放对环境的污染已经成为汽车工业可持续发展所急需解决的主要问题。轻量化技术一直是汽车工业发展的重要性内容，汽车自重的减轻也是有效降低汽车排放、提升汽车燃烧效率的重要前提。一些研究报告中指出，当汽车重量每降低10%，汽车的油耗便可以降低约6%～8%，汽车的排放能够减少约4%[1]。为适应和满足汽车未来发展需要，轻量化已经是目前世界汽车材料发展的重要方向。本文将就汽车轻量化材料的发展现状和工艺应用进行论述。

1 钢铁材料的主体地位

在汽车工业发展的历程中，钢铁一直扮演着非常重要的角色。目前，汽车材料中，钢铁材料的占比仍相对稳定，不过钢铁材料的内部结构却发生了重大变化。主要的变化就是高强度钢和超高强度钢的使用比例逐年提升，强度处于中、低等的钢材比例逐年降低。高强度钢是一种具有很大竞争力的汽车轻量化新材料，与其他材料相比在耐蚀性能、抗碰撞性能以及成本等方面具有很大的优势。

2 铝及其合金材料应用范围继续扩大

铝是应用较早且技术日趋成熟的轻量化材料，它在汽车中的用量呈现不断增长的趋势。汽车中应用的铝主要以铝铸件为主，约占汽车用铝量的80%。目前，在汽车轻量化的带动下，铝合金及其应用技术得到了迅猛的发展。各大汽车厂商不断推出了采用全铝车身以及铝密集型的新款汽车，这些新车中铝的用量不断增加。例如，福特P2000铝的比例达到了37%[1-2]。而全新的奥迪A8轿车通过采用性能优异的大型铝铸件和液压成型部件，从而使汽车车身零件的数量从50个减少到29个，且车身框架完全闭合。这种车身结构不仅可以使车身的扭转刚度提高60%，还能够比同类车型的钢制车身车重减少50%。目前，铝在汽车中的应用正朝车身零件及结构件的方向发展，其应用范围将会不断扩展，成为仅次于钢的第二大汽车材料。

3 镁材料的应用快速增长

镁是比铝更轻的一种轻金属材料，它能够在铝减轻质量的基础上再减轻15%-20%。在汽车轻量化的推动下，镁在汽车中的应用已经成为汽车材料领域的一个重要发展方向目前，车用镁材料在汽车中的应用正以年均20%的增长速度迅猛发展[2-3]。目前，采用镁合金制造汽车底盘、车身、转向盘、座椅骨架、各种支架、仪表板骨架、进气歧管等汽车零部件已经成功实现工业化生产。而镁在汽车中应用的下一个目标是汽车发动机等动力系统的零部件，各大汽车厂商均加大了对镁合金在发动机等动力系统零部件上的研发。

但是，镁在汽车中的大量应用还需解决一些现有不足和问题。例如，对车用镁材料的特性缺乏深层次的理解、欠缺车用镁材料的很多性能数据、车用镁零部件的防蚀技术有待提高、汽车镁零部件的设计以及使用经验存在不足等。

4 汽车材料以塑代钢和汽车塑料应用

从现代汽车使用的材料来看，工程塑料不仅应用于汽车内外饰件，而且可应用于部分功能和结构件。近年来应轻量化大势所趋，各汽车制造商不断研发出轻量化的车型，汽车上的塑料使用量大幅提升。例如德国宝马公司生产的BMWi3系列汽车实现了纯电动驱动，汽车的外壳采用塑料，底盘主要为铝合金，相较此类传統车型，汽车重量减少了250～350kg。我国的自主品牌汽车中，CA720红旗轿车上使用的塑料重量为88.33kg，上汽大众桑塔纳的塑料用量为67.2kg，一汽奥迪塑料用量为89.98kg。当前，汽车邮箱、发动机保护盖等材料也多用塑料[3]。

与零部件材料相似的是，汽车内饰新材料的发展也促进了汽车塑料化的发展进程。聚丙烯（PP）以其轻质、成型性好和可回收利用等特点和优势，已经是目前汽车塑料中应用最广的品类，在欧美、日韩国家的汽车塑料用量中均处于首要位置。聚丙烯（PP）的密度较小、耐热性能强、成型性能好且耐受化学腐蚀，特别是最近几年来，汽车材料发展方向以合金化、复合、动态硫化等聚丙烯改性技术为主，具备优异性能的聚丙烯不断研发出来，改性聚丙烯是当前十分重要的新型结构材料，在汽车工业中的应用十分广泛。

5 纤维增强复合材料成为热点和亮点

纤维增强复合材料由于其优异的力学性能成为汽车新材料领域的热点和亮点。低成本碳纤维增强树脂基复合材料和天然纤维增强树脂基复合材料将是未来推动汽车产业升级换代和变革的重要材料。以纤维增强复合材料制造的车窗、车门、车轮、骨架乃至全塑汽车已逐步出现，成为汽车材料“以塑代钢”的重要推手[4]。

由于碳纤维具有优异的力学性能，很好的耐热性，较好的导电性和电磁屏蔽性能等，因此在许多高新技术领域及民用领域得到广泛应用。碳纤维增强树脂基复合材料在汽车轻量化先进设计制造中具有十分明显的优势。车用碳纤维增强树脂基复合材料的密度一般为1.5～2.0g/cm3，只有普通碳钢材的1/4～1/5左右，比铝合金还要轻1/3左右。然而，碳纤维复合材料的机械性能十分优异，其抗拉强度比钢材高3～4倍，刚度比钢材高2～3倍，复合材料的耐疲劳性比钢材高2倍左右，重量比钢材轻30%40%，热膨胀系数小40%～50%。

6 其他材料和工艺在汽车轻量化中的应用

6.1 钛合金

钛合金具有质量轻、强度高等特点，在汽车工业轻质金属材料中占据十分重要地位，钛合金的强度与合金钢相似。与此同时，钛合金具备的优越性能可以支持其在很多恶劣条件下保持自身特点，在很多恶劣条件下，铝、镁合金材料一般是难以满足汽车制造商的需求。不过，钛合金的价格昂贵，加工工艺复杂，极在商用汽车中应用有限。近些年，价格相对低廉的钛合金材料不断被研发出来，通过不断改进钛合金材料的加工工艺，有效降低了其制造加工成本，一定程度上促进了钛合金在汽车工业中的应用。

随着制造成本的降低，很多汽车厂商已经成功将钛合金材料应用于批量生产的商业化轿车上。钛合金材料主要用于汽车上的发动机和汽车底盘零件，钛合金零部件具备的出色性能，使得发达国家每年用量不断升高，而钛合金制造和加工技术不断发展的今天，其生产和加工成本逐年降低，今后一段时间，钛合金材料制造的零部件将在汽车上发挥更多作用。

6.2 泡沫材料

泡沫材料是一种新型的汽车轻量化材料，一般可以分为金属泡沫料（如泡沫铝）和非金属泡沫材料（如泡沫塑料）两大类。泡沫材料不仅可以减轻汽车零部

件的质量，同时还具有隔热、降噪、减振、吸能以及良好的刚度与抗压缩等性能。因此，在汽车轻量化材料中，泡沫材料已经成为一个研究热点，其应用范围越来越广泛。

6.3 不锈钢

不锈钢在汽车中的应用已经有很长的历史，但是不锈钢作为汽车轻量化材料应用于汽车的结构零件是最近几年才开始研发的。一般认为，具有轻量化潜力的不锈钢主要是高强度不锈钢，比如ASI200和AIS300系列高强度奥氏体不锈钢。目前，高性能的不锈钢已经用于制造汽车保险杠、前侧防撞弓形梁、发动机支架、后挡板等汽车零部件。采用高性能不锈钢可以使汽车零部件的质量降低30%左右。但是，不锈钢高昂的生产成本，严重制约了不锈钢在汽车中的应用。目前，降低不锈钢的生产及使用成本主要有两个途径：一是开发价格低廉的不锈钢材料;二是优化不锈钢汽车零部件的设计与加工工艺。

6.4 生物塑料

生物塑料是利用可再生資源（如玉米和其他农作物）制造出的生物材料，因其具有生物降解性而越来越受到重视。丰田汽车公司正在利用含淀粉丰富的甜土豆（淀粉含量比玉米高40%～50%）开发用于汽车部件的生物塑料[5]。该公司采用 Enzymes工艺从土豆中提取淀粉，然后将淀粉分解成葡萄糖，最后将葡萄糖发酵变成乳酸后聚合成聚乳酸。丰田汽车公司再将聚乳酸制成商品名为“Eco- Plastic”的生物塑料，并于2003年首次商业化应用于汽车日本的 Toray公司用 Ecodear植物来源的乳酸纤维制作的汽车座椅面料手感光滑柔软。在英国，生物塑料生产商 Net Composites公司已经从政府那里获得开发用于汽车结构部件的高性能植物基塑料的基金。该公司计划将生产的生物塑料用来制备车门、驾驶室顶和顶棚等零部件。

7 结语

汽车工业作为我国国民经济的重要产业，近年来取得了飞速的发展。汽车工业在快速发展的同时，也面临着环境污染，资源匮乏以及安全问题。汽车节能、环保、安全不仅是国际汽车工业的发展方向，也是我国汽车产业政策的要求。国内外汽车新材料的发展与应用已取得显著成效，并在汽车轻量化中发挥着愈来愈重要的作用。汽车轻量化新材料及其应用技术的不断发展，必将有助于推动汽车产业的可持续发展。

参考文献：

[1]孙永飞， 景作军. 汽车轻量化技术及其应用[J]. 汽车与配件， 2010（23）：32-35.

[2]王利， 朱晓东， 张丕军， 等. 汽车轻量化与先进的高强度钢板[J]. 宝钢技术， 2003（005）：53-59.

[3]叶平， 沈剑平， 王光耀，等. 汽车轻量化用高强度钢现状及其发展趋势[J]. 机械工程材料， 2006， 30（3）：4-7.

[4]马鸣图， 李志刚， 易红亮， 等. 汽车轻量化及铝合金的应用[J]. 世界有色金属， 2006（10）：10-14.

[5]周英辉，陈胜杰，雷亮，等. 几种改性生物基塑料在汽车上的应用[J]. 现代塑料加工应用， 2018（4）：56-59.