新材料在汽车轻量化技术中的应用

王子恺

(武汉理工大学 汽车管理制造系，湖北 武汉 430070)

0 前言

随着汽车燃油价格的不断提高，汽车轻量化已经成为有效降低汽车能耗、控制成本的关键举措，这也是获取更多汽车消费者的关键所在。为此，加大对汽车轻量化技术应用的研究，采用更多的新材料，在确保汽车安全性的同时推动汽车轻量化发展，实现降低能耗，推动汽车节能减排。

1 新材料在汽车轻量化中的应用趋势

1.1 新材料种类和加工方式呈现多元化趋势

汽车实现轻量化的前提和基础在于新材料技术日益成熟及新材料成本不断下降，欧美汽车制造商在20世纪70年代就在这一领域进行探索，并取得了一系列的成果。这些新材料质量轻，具有较好的抗压强度，其中包含合金系列低密度轻质材料，同时也包含一些高分子材料，如纤维尼龙，但高强度材料还是以常见的高强度钢为主。铝合金主要用于轮胎动力系统及各种零件，镁合金主要用于汽车的壳体支架，高强度复合材料主要用于其他的结构件、安全件，风扇等应用了新型的塑料和纤维。当前，汽车新材料的种类朝着多元化方向发展，加工方式也不断丰富。

1.2 新材料应用领域不断扩大

铝合金具有良好的密度延展性，而且导热、导电效果好，刚度和强度性能优秀，因此，汽车的发动机外壳、转向支架等部位主要应用铝合金。新材料推动了汽车实现轻量化，随着科学技术的不断进步，铝合金加工技术更加成熟，经过加工处理的铝合金强度不断提升，虽然不及高强度钢，但是汽车的车身、车门、车盖等部位也开始逐渐探索应用以铝合金为主的新材料。

1.3 汽车减重效果逐渐明显

采用新材料有良好的汽车减重效果。研究表明，一些新材料(如玻璃纤维)的应用，可实现大幅度减轻汽车质量的目的，甚至可减轻50%的整车质量。福特公司优先采用全铝车身、车门，发动机也使用了铝合金，与同款车相比，质量减少了400 kg，且节能效果突出，能耗降低了20%。全面运用这些轻型材料，不仅能够节能减排，还有效地减少了汽车自重，改善了减振效果，使得汽车的乘坐舒适度不断提升。

2 我国在新材料应用中面临的问题

2.1 新材料依然应用不足

虽然我国也在大胆地尝试运用新材料，但是在我国汽车制造商中这些材料的应用范围不广，还没有得到充分的认可。大部分高档车才会使用新材料实现汽车轻量化，而且也仅运用于零部件上，钢材仍旧是我国汽车的主要应用材料。在高强度钢的使用率上，我国也明显低于国外，国外使用高强度钢的比例为80%，而我国却只占40%。另外，我国一些具有高级防护功能的汽车，其面板生产技术我们还没掌握，需要依赖进口，可见我国汽车轻量化技术还不成熟。

2.2 汽车轻量化技术落后

近年来，我国汽车制造研发方面进步很大，汽车轻量化研发也在逐步跟进，但是与西方国家相比还有差距。我国一些自主品牌汽车的质量超过国外品牌同类型汽车质量的10%，与国外品牌汽车相差较大，汽车耗油量很难满足客户需求。新材料在汽车轻量化中的应用还没有全面展开。

2.3 新材料维护技术和服务缺位

部分新材料在我国的汽车生产中得到应用，实现了汽车的轻量化，但是其应用也需要做好相关的保养和维护。与传统材料的汽车维护保养相比，运用新材料的汽车维护的要求更高，难度更大。如传统钢材制作的汽车受撞击变形后，可通过钣金技术进行修复，我国在这方面技术已相当成熟,而对于新材料制作的汽车一旦受损，我国在这方面不仅技术缺乏，而且专业技术人员也缺乏。特别是由于新材料制造的汽车维修成本高，因此无法提供高效的维护服务。

3 汽车轻量化应用中遇到的技术瓶颈

3.1 技术仍不成熟

汽车实现轻量化不仅仅是要减轻质量，更要确保汽车性能的提升。运用新材料对于汽车制造技术的要求越来越高，所需要的工艺难度逐渐加大。我国在应用铝合金制造车身等方面的技术还不成熟，仍面临着一系列的瓶颈。对于复合型材料的制造加工技术与西方发达国家相比还比较落后，特别是一些高科技的新材料技术，如碳纤维材料技术一直是国外汽车生产厂家所掌握核心技术。

3.2 应用成本较高

新材料的应用成本较高，这也严重影响了其在汽车制造业中的应用。第一，新材料的研发费用较高，需要不断探索，耗费大量的人力物力财力。同时，应用风险较大，短时间内很难见效益，从事新材料研究的仅仅限于几个实力较强的汽车制造企业。第二，新材料成本较高，虽然可减轻汽车质量但却增加汽车制造成本，这是汽车制造商和消费者都不愿意面对的。第三，新材料制作成本也较高，无论是制造这些新材料还是应用新材料加工制造汽车，其复杂的工艺都使得成本大幅增加；加工这些新材料还需要专用设备，这些设备的价格昂贵，因此大大增加了汽车制造企业成本，使得企业对此类研发工作不积极。

4 汽车轻量化中新材料应用途径

第一，各汽车制造企业要加强合作，特别是要带动产业链上下游进行合作，不断加大技术创新，掌握核心技术。第二，国家要从政策上给予支持，以国家层面开展新材料技术研究，为研究新材料应用于汽车轻量化的汽车制造企业、科研机构等提供政策资金，加大财政投入，确保有更多的科研机构、高校投入到汽车新材料的研制工作中。第三，鼓励汽车制造企业引进先进的技术，加大推广，同时做好自身的研发，不断地掌握核心技术，壮大自身的新材料研发能力。

5 新材料应用发展

5.1 高强度钢材料

高强度钢材料是汽车制造应用范围最广的一种材料，我国在该领域已取得了一系列成就，但仍应围绕高强度材料加大技术研发，在降低成本的同时实现减轻车辆质量。

(1) 加大对高强度钢材料的开发。目前所使用的一系列高强度钢，如双向钢、低合金钢等需要用化学方法改进其冶炼技术，实现贵重合金元素使用量的不断减少，在提升其强度同时增加其塑性韧性，使高强度钢具有更好的性能使之具有较高的成形性的高强钢。

(2) 采用更先进的研发技术，确保成形效果。高强度钢的成形目前主要依靠延展、拉伸、弯曲等技术，受到一定的局限，因此要研发一些先进的成形技术，如液压、辊压等，不断丰富成形技术。另外，要主动探究研发高强度钢焊接技术，引入更先进的激光拼焊技术，全面开发高强度钢的连接技术，这也是今后运用高强度钢材的重点内容。

(3) 运用计算机辅助工程(CAE)分析技术进行成形研发，推动高强度钢材料成形技术的发展。由于高强度钢的强度高，因此其成形难度更大，而且高强度钢存在容易发生开裂、回弹等问题，借助于CAE分析能够不断地优化其成形路径，有效杜绝开裂问题的发生，确保成形一次成功。同时，也能够模拟分析回弹，对回弹进行预测，进而能够有针对性地补偿回弹，使成形效果得到保证。

5.2 铝合金材料

随着对环保的重视和能源成本的增加，人们越来越多地追求质量轻的汽车，以便于更好地降低能耗。不同用途的汽车零件对所需要的铝合金材料要求也不同，如转向机构、制动器等零部件大多需要铝铸材料，承受能力强、强度高、耐腐蚀性好，因此需要在铝合金材料上加大研发力度，追求更高的力学性能、耐腐蚀性能；制动器对耐热要求高，因此可以打造耐热的铝合金材料；自动变速箱、离合器零件对零部件耐磨性要求高，因此要有针对性地打造具备更高耐磨性的铝合金材料；汽车的悬挂系统对于材料的强度要求高，同时也要求其具有较好的变形性，因此需要打造高韧性的高强度铝合金材料。

5.3 镁合金材料

在运用到汽车轻量化的材料中，镁及其合金材料具有优势，可以作为一种理想的材料全面应用。镁合金材料的应用也伴随一些问题，如它的性能与温度成反比而且还存在腐蚀问题，因此要针对性地进行研究。镁合金材料成形依靠良好的制造工艺，材料的成形既有传统的铸造加工成形也有增强其塑性成形的技术。当前，应用最多的铸造技术是充氧压铸及真空压铸等，其中应用最为广泛的是充氧压铸工艺。轮毂、方向盘可以通过真空压铸成形。镁合金材料成形都是通过铸造工艺完成的，这种成形方式不利于提高镁合金性能，造成其应用范围不广。但是，通过塑性成形就可以避免这些问题的发生。热处理强化法是一种有效提高镁合金性能的方法，由于受到镁自身特性的限制，其变形难度大。依靠塑性方法不利于镁合金有效成形，且成品率低、成本高、应用范围窄。因此，对于镁合金材料的应用首先要深化其成形方法的研究，这是充分运用镁合金材料的基础工作。

5.4 碳纤维增强树脂基复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料性能独特、优势明显，已经成为当下汽车轻量化研究的重点材料。碳纤维增强树脂基复合材料优势较多：① 力学性能优异。碳纤维增强树脂基复合材料密度低，是碳钢密度的1/10，质量也是相同体积铝合金质量的2/3左右，但其性能要远远高于铝合金材料，抗拉强度更是其他钢材的数倍。碳纤维增强树脂基复合材料的动阻尼特性优异，是其他轻金属所不可比拟的。通常铝合金的动阻尼时间为9 s，碳纤维增强树脂基复合材料的动阻尼时间为2 s。② 实现了一体化制造。今后汽车制造发展的趋势是一体化制造，采用碳纤维增强树脂基复合材料能够一次性地制作成不同形状的曲面，实现一体化制造所有的汽车零部件，可有效减少汽车零部件制造的空档，提高了工作效率。③ 抗冲击吸能性能好，材料可塑性强，可实现外部负荷压力的转换，特别是由碳纤维增强树脂基复合材料制作的零部件具有良好的抗冲击吸能性能。如果经过特殊的工艺处理，由碳纤维增强树脂基复合材料制造的零部件能够在受到巨大的撞击下形成碎片，碎裂程度小，确保分散了撞击力量，能量吸收效果是其他金属材料的5倍，提高了汽车的安全性能，保障驾乘人员的生命安全。④ 具有较好的耐腐蚀性。碳纤维增强树脂基复合材料的主要组成是树脂、碳纤维丝，其本身就具有较好的抗腐蚀性，通过这2种材料形成的复合材料耐腐蚀性能更好。因此，由碳纤维增强树脂基复合材料制造的零部件不需要再经过防腐处理，就能具备较好的耐腐蚀性，抗老化性增强。

6 结语

综上所述，汽车轻量化是未来汽车工业发展的方向，也是竞争优势，因此需要加强新材料的应用研究，依托新材料来推动汽车实现轻量化。目前，采用新材料控制汽车质量已成为发展趋势，这是推动汽车工业实现可持续发展的重要抓手。为此，应认真探究新材料在汽车轻量化中的应用，主动创新，实现汽车轻量化，进一步提高产品市场竞争力。