汽车轻量化材料的选择与应用探究

戴玉京

摘要：现阶段，汽车行业发展迅速，开始向着轻量化方向发展。为达到汽车轻量化的要求，汽车企业需要首先选择使用轻材料进行制造。本文针对汽车轻量化材料的选择问题以及应用问题进行探究，以期能够促使汽车行业更好更快的发展。

关键词：汽车;轻量化材料;选择;应用

0  引言

20世纪中叶，欧美等一些发达国家开始对汽车轻量化技术进行研究，希望能够达到节能减排、减少环境污染的效果，进而全面实现汽车工业的可持续发展。我国在此方面的研究较晚，开始于20世纪80年代，经过多年的实践研究，在汽车轻量化材料等关键技术上取得了一定成果，有效实现了节能减排的目标，同时环境污染现象减少，资源利用率有所提升，有效推动了汽车产业的全面发展。

1  汽车轻量化材料的选择

当前阶段，能源日益枯竭，加之污染问题，导致环境治理压力增大。为了有效缓解城市污染压力，各大城市先后开始实行摇号买车、限号出行的政策，同时积极鼓励居民购买小排量汽车，从而有效缓解因汽车运行造成的能源消耗以及空气污染等问题。但是，这些措施都无法从长远角度彻底解决空气污染问题，还需要对汽车进行改造设计，从制造源头解决人们出行与资源环境的冲突，只有全面实现汽车轻量化，才能够有效缓解能源消耗的矛盾。

在对汽车构造进行设计上使用轻量化材料，并对汽车零件尺寸进行优化，借助整体塑形等生产工艺，能够有效减轻车辆的整体重量，促使汽车实现节能高效，降低排放污染的目标。而当前汽车轻量化技术主要研究方向就是轻金属材料，汽车制造中所使用的材料多达4000多种，其中约80%为金属材料，55%为钢铁材料，而15%为铝镁等轻合金以及铸铁，20%为塑料以及碳纤维等非金属材料。近年来，汽车制造中逐渐引入轻量化材料，钢铁所占比例有所降低，逐步开始使用铝合金等轻金属合金。汽车轻量化制造有效迎合了消费大众的需求，不仅利用低成本的钢铁以及轻合金材料混合方式降低了整车的重量，同时在高端车辆上也开始逐步使用碳纤维以及轻合金材料混合技术，虽然费用较为昂贵，但是性能也更高。有部分厂商也开始积极选择质量轻以及强度高的金属材料进行生产[1]。

1.1 高强度钢

汽车的许多零部件都采用高强度钢进行制造，例如悬架、车身以及底牌等位置。当前阶段，开始逐渐针对中低端车辆进行轻量化处理，为维持成本不变，并保证车辆的安全性，就需要有效减薄高强度钢板的厚度，进而减轻整体车辆的重量，实现节能减排。相关学者在实践研究中发现，高强度钢的使用，提升了汽车的整体性价比，同时碰撞安全性能也有所提升，已经开始应用于进口车辆地板B柱以及零部件中，其中凯迪拉克车型应用较多，地板中通道以及AB柱内板中均采取高强度钢进行制造[2]。同時，高强度钢在碰撞安全性方面以及经济性、可加工性等方面都有一定优势，属于综合性能最佳的轻量化材料，高强度钢在汽车制造中的使用量直接影响着汽车轻量化水平，我国在此方面的使用量相对较少，且起步较晚，未来仍有较大的发展空间。

1.2 铝合金

相比于钢而言，铝合金的密度仅有钢的1/3之多，且强度以及刚度都较高强度钢差，为了有效提升汽车的力学性能，就需要积极使用新型铝合金或者增加铝合金厚度。如果力学性能相同的情况下，相比于钢铁，铝合金的减重效果能够达到钢铁的50%，可以达到轻量化的要求。相关学者研究指出，铝合金相比于钢铁材料，能够减重达到30-60%，同时，铝合金材料也能够有效减少汽车尾气，多用于保险杠、车身覆盖件或者横梁等位置，因价格相对较高，多适用于宝马或者奥迪等高端汽车上[3]。

1.3 镁合金

与铝相比，镁的密度仅为其2/3，且消震性以及抗冲击能力均较强。在汽车的所有结构材料中，最轻的金属就是镁，镁也被认为是理想的轻量化材料。镁合金多使用在壳体类以及支架类的零件上，相较于铝合金，镁合金能够再减重30%，具有较高的轻量化效果。但是，镁合金在加工上以及成本上、耐蚀性上都较差，目前仍未大范围使用。

1.4 钛合金

相比于其他几种材料，钛合金具有一定优势，不仅强度较高，且能够耐高温，使用在航空航天工业中使用。近年来，汽车轻量化发展较快，一些汽车零件生产上也开始使用钛合金，有效减轻了汽车的整体重量。

2  汽车轻量化材料的应用

近年来，为了减少环境污染，达到节能减排的目的，我国开始积极向着绿色高效节能环保经济发展，在此背景下，新能源汽车获得了有效的发展。新能源汽车在发展上受到了严重的阻碍，不仅车身较重，且电池续航能力较差，受到这些因素影响，导致新能源汽车发展受到影响。在此背景下，积极应用铝合金、镁合金以及钛合金等轻量化材料，就能够有效减轻车身重量，促使新能源汽车获得更好的发展前景。

在轻量化材料中，铝合金的碰撞形变能力以及综合力学性能较为突出，更适合用在新能源汽车的制造上。随着铝合金使用量的增多，未来新能源车辆的发展将向着全铝车身方向发展。目前阶段，欧美等一些发达国家开始积极使用铝合金制造汽车，铝合金含量达到了80%之高，例如，奥迪A8车身铝合金含量达到了80%，而特斯拉Model S含量达到了95%。相关学者研究指出，奥迪A8自实现了全铝车身后，在新能源汽车领域开始应用全铝车身，例如全新捷豹XFL以及上海通用汽车生产的凯迪拉克CT6[4]。我国铝资源相对较为丰富，但是在汽车领域的发展却远不及欧美发展水平。据相关统计分析，欧洲用于汽车制造的铝合金达到了每辆300kg，而我国仅为115kg/辆，相信随着我国汽车行业研发力度的加大，未来铝合金在新能源汽车上的应用会更为广阔。

相比于其他材料，镁合金的消震性能以及力学性能相对较好，在汽车部分支架以及壳体类汽车零件上应用较多，同时也开始积极应用于电动客车的研究中，取得了良好的效果。在第五代奥迪A8汽车的制造中，镁合金首次应用于车架缓冲支架材料，有效减轻了车身的重量。而山东汽车公司制造的电动大客车中使用了镁合金，促使车重整体减轻了70%。

3  汽车轻量化材料在未来发展中面对的挑战

汽车轻量化技术全球化的发展，促使我国开始积极向着轻量化方向发展，但是在发展过程中，仍面临着许多问题亟待解决。

首先，轻量化材料在使用过程中成本相对较高，这就严重阻碍了轻量化工业的发展进程。目前，有部分汽车企业开始尝试使用混合材料深化汽车轻量化材料，但是仍未能有效解决成本高的问题。基于此，许多汽车企业开始对轻量化进行研究，意图全面满足汽车工业的需求，保证轻量化材料以及生产设备达到低成本的要求，但是，在研发过程中会耗费大量资金，企业的资金风险也会加剧。在汽车轻量化的发展上，会受到很多因素的影响，未来轻量化材料在研发上，需要积极向着新材料方向发展，从而有效降低原材料的生产成本以及使用成本。对于汽车制造企业而言，也需要不断优化自身结构，更新生产的工艺以及生产的设备，最大化降低成本支出，促使汽车轻量化材料获得长远发展[5]。

其次，轻量化材料的使用加大了维修的难易以及使用成本。如果在汽车运行过程中，镁合金以及铝合金零件出现损耗，就需要进行更换或者维修，不仅维修难度较大，且更换的成本也较高。

最后，对于轻量化材料的研发力度不够，轻量化技术在加工以及设计、开发阶段都需要聘请专业的人才进行研究，而轻量化技术集合了多种学科，需要将多种技术融为一体，进行系统性的研究，从而获得更为广阔的发展空间，但是当前我国在此方面的研究相对较少，开发难度较大，轻量化材料的发展面临新的问题[6]。

4  结语

综合上述分析，汽车轻量化已经成为了汽车行业未来发展的必然趋势，由此，就需要做好汽车轻量化材料的研究工作。当前，我国针对汽车轻量化材料的研究相对较少，在发展上还存在很多不足，这就需要汽车行业积极抓住全球化發展机遇，加大改革力度，促使汽车的制造向着环保型以及轻量型方向发展，全面推进汽车轻量化的工业化发展进程。

参考文献：

[1]陈静，彭博，王登峰，等.碳纤维增强复合材料电池箱轻量化设计[J].汽车工程，2020，42（2）：257-263，277.

[2]赵静，富丽，张祖祎.汽车轻量化用复合材料的浅析[J].居业，2019，11（9）：1-2，4.

[3]张鑫，赵晓昱，兰祥，等.汽车用碳纤维复合材料前防撞梁的轻量化与优化设计[J].玻璃钢/复合材料，2019，27（8）：98-103.

[4]高永迪.试论铝合金材料在未来汽车轻量化中的应用与发展[J].世界有色金属，2019，29（21）：174，176.

[5]刘志伟，孟洲渔，周小梅，等.汽车轻量化背景下节能环保新材料的选用[J].天津科技，2019，46（8）：22-24.

[6]马琳，耿雷.国外汽车轻量化材料应用经验借鉴[J].新材料产业，2019，19（6）：28-31.