新材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用與展望

曹西良

摘要：隨著生活水平和制造工藝的提高，居民對(duì)汽車性能要求越來越高，輕量化、低能耗和低排放是汽車發(fā)展的趨勢。汽車材料的改進(jìn)是輕量化的出發(fā)點(diǎn)，要想實(shí)現(xiàn)低能耗和低排放，就不能放松對(duì)性能更輕更好的汽車材料的研制。輕質(zhì)材料、金屬基復(fù)合材料及陶瓷等新材料的使用在一定程度上決定了汽車的發(fā)展趨勢，是汽車技術(shù)發(fā)展的重要方面。

關(guān)鍵詞：汽車新材料；輕質(zhì)材料；金屬基復(fù)合材料；陶瓷材料

中圖分類號(hào)：U270 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）13-0010-02

隨著用戶對(duì)汽車要求的提高和汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車的未來發(fā)展趨勢一方面追求豪華和舒適，另一方面又需要輕便。為滿足汽車在綠色化、輕量化上的主流發(fā)展趨勢，構(gòu)成汽車的材料也不斷革新，使用新材料成為了大勢所趨。降低構(gòu)件質(zhì)量、降低制造成本和耗能、提高材料比強(qiáng)度、提高構(gòu)件使用壽命、節(jié)約合金元素、加快發(fā)展復(fù)合材料和特殊材料是未來車用材料發(fā)展的必然之勢。

最近幾年汽車制造業(yè)中材料的發(fā)展特點(diǎn)可概括為以下三個(gè)方面：（1）傳統(tǒng)的鑄鐵材料、低碳鋼仍占據(jù)主導(dǎo)地位；（2）新材料所占比重越來越大，如鎂材、鋁材、塑料等已經(jīng)成為不可或缺的材料；（3）隨著科技的發(fā)展，更多的新材料已用于生產(chǎn)車架、車身立體構(gòu)架、保險(xiǎn)杠、承載構(gòu)架、排氣管和發(fā)動(dòng)機(jī)支承等，大大降低了生產(chǎn)成本。

下面將討論各種新材料的特點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)性材料

1.1 輕質(zhì)材料

降低汽車重量的關(guān)鍵是輕質(zhì)材料的廣泛使用。以車身的材料為例，車身要求高強(qiáng)度、高精度、高抗撞性，其質(zhì)量約占汽車總質(zhì)量的20%～25%。目前，鋼材仍是批量生產(chǎn)的凈車身的主要材料。其他材料如鋁、鎂合金材料所占比重將會(huì)越來越大。輕質(zhì)材料的使用，可以明顯降低車重。這樣不但可以壓縮汽車的制造成本，更可以大大降低汽車使用成本。

目前，車用輕質(zhì)材料主要有金屬輕質(zhì)材料和非金屬輕質(zhì)材料兩種。金屬輕質(zhì)材料主要有鎂合金、鋁合金、鈦合金等；非金屬輕質(zhì)材料主要有工程塑料、玻璃鋼等。

1.1.1 車用輕金屬。

（1）鎂合金。鎂合金是汽車減重最具潛力的輕質(zhì)材料之一。鎂的密度為1.8g/cm3，僅為鋼材密度的35%，鋁材密度的66%。尺寸穩(wěn)定性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)、比強(qiáng)度高、阻尼性好是鎂合金的主要優(yōu)點(diǎn)。由于鎂合金的振動(dòng)阻尼能力好于鋁和鋼，并且尺寸穩(wěn)定性更好，因此在航空工業(yè)和汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。德國大眾公司的甲殼蟲汽車的大量結(jié)構(gòu)零件都使用鎂合金。高延展性鎂合金AM20、AM50和高純度耐腐蝕鎂合金AZ91D、AZ91E等的出現(xiàn)極大地提高了性價(jià)比。隨著壓鑄技術(shù)的進(jìn)步，目前已可以制造出形狀復(fù)雜的薄壁鎂合金車身零件。

鎂合金在冶煉時(shí)要使用保護(hù)氣SF6，其溫室效應(yīng)是CO2的近2.5萬倍，對(duì)環(huán)境的污染比較嚴(yán)重。不過，如果能將鎂合金的各種切削和報(bào)廢件充分再利用，則可降低能耗。另外，利用“生命周期評(píng)估”理論進(jìn)行評(píng)價(jià)后發(fā)現(xiàn)，由于鎂的比重小，減輕了汽車的重量，降低了油耗，使鎂所占比重較大的汽車在行駛里程超過四萬公里后，顯示了對(duì)環(huán)境影響的優(yōu)越性。

（2）鋁合金。鋁合金在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、活塞、進(jìn)氣支管、氣缸蓋、變速器殼體、轎車的骨架、車身、座椅支架、車輪等部件的制造中有廣泛應(yīng)用。其密度約為鋼的1/3，與汽車鋼板相比，鋁合金具有低密度、高比強(qiáng)度高、高熱穩(wěn)定性、耐銹蝕、易成形、可再生等優(yōu)點(diǎn)，并且技術(shù)成熟。目前在汽車上，鋁合金是僅次于鋼材的第二大應(yīng)用，可以生產(chǎn)各種沖壓件、鑄件及拉制型材。

德國大眾公司的奧迪A2型轎車，車身骨架和外板結(jié)構(gòu)全部采用鋁合金，與傳統(tǒng)鋼材料比較，車身減重135公斤，約降低了43%，每百公里油耗降低3升。性能更優(yōu)良的液壓成型件和大型鋁鑄件的采用，使奧迪A8型轎車車身的零件數(shù)量縮減了21個(gè)，并且車身框架完全閉合，這種結(jié)構(gòu)的車身與同類鋼制車身相比不僅減重一半，還提高了扭轉(zhuǎn)剛度。

一方面，鋁合金都可以全部回收再利用，深受環(huán)保人士的歡迎。但另一方面，鋁的成本較高，并且制造難度大，阻礙其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。奧迪A8采用了6000系列鋁鎂硅合金鋁材作為車身鈑金件，該種鋁合金對(duì)純度和工藝穩(wěn)定性有很高的的要求。為了提高其強(qiáng)度，需在制造時(shí)采用連續(xù)退火熱處理工藝，該生產(chǎn)線費(fèi)用高、熱處理能耗大。因此，為了進(jìn)一步降低鋁車身成本，需要開發(fā)新的鋁合金材料。

（3）鈦合金。目前，鈦合金主要應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中。鈦合金的優(yōu)勢是，在密度上僅是鐵的1/2，為4.5g/cm3，但比鋼擁有更好的硬度和強(qiáng)度，且耐腐蝕性能好。因此，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中使用鈦合金可以使部件更輕、更堅(jiān)固、更耐腐蝕。同時(shí)，鈦合金車身可以承受更大的作用力。但是，由于鈦提煉困難，使其價(jià)格昂貴，現(xiàn)在還只能在賽車上應(yīng)用，而普通汽車上使用較少。

1.1.2 車用非金屬輕質(zhì)材料。

在汽車行業(yè)的未來發(fā)展中，國內(nèi)外發(fā)展的一大趨勢是用高分子材料制造零部件。原因主要有三：一是減輕質(zhì)量降低成本；二是一件零部件可以集中多項(xiàng)功能；三是部件設(shè)計(jì)方面有了廣泛自由的空間。因此，高分子材料零部件已經(jīng)不僅僅局限于內(nèi)外裝飾件，而是向車身結(jié)構(gòu)件和覆蓋件方向發(fā)展。有些汽車公司甚至正在用復(fù)合材料做承載力最大的底盤車架。這些應(yīng)用在減量、降噪和提高耐蝕性等方面發(fā)揮了重要的作用。

（1）工程塑料。塑料的主要成分是樹脂。其優(yōu)點(diǎn)是密度小、易成形，表面還擁有優(yōu)良的電鍍、著色、鉚接、植絨等特性，且耐腐蝕。工程塑料比普通塑料具有更優(yōu)良的電性能、機(jī)械性能、耐熱性、耐磨性、耐化學(xué)性、尺寸穩(wěn)定性，比金屬材料更輕、成型時(shí)能耗更少。20世紀(jì)70年代后，汽車工業(yè)中就廣泛應(yīng)用襯墊類、泡沫類、緩沖材料等塑料。

目前，工程塑料已被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。用于車身內(nèi)外板生產(chǎn)的聚合物塑料包括GMT和SMC。GMT一般用于制造一些板件和復(fù)合件，側(cè)門、保險(xiǎn)杠和車頂蓋等飾板則廣泛使用SMC。其他應(yīng)用較廣的熱塑性塑料包括PUR、PP、ABS、PVC、PA和PE等。

（2）玻璃鋼。玻璃鋼作為一種樹脂基復(fù)合材料，運(yùn)用在汽車部件上，其主要優(yōu)點(diǎn)：一是質(zhì)量輕，可以減少整車的質(zhì)量；二是可以吸收更多的沖擊能量，當(dāng)發(fā)生撞車事故時(shí)，可以降低人員和車輛所受的損傷。另外，由于玻璃鋼的強(qiáng)吸振功能，可以降低噪聲和震動(dòng)，從而提高舒適性；三是制造工藝簡單，使設(shè)計(jì)和修改更加靈活，降低產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)周期和生產(chǎn)成本；四是具有良好的耐腐蝕性。在發(fā)達(dá)國家，玻璃鋼在轎車和其他商務(wù)車上所占的比例越來越大。我國汽車行業(yè)目前使用玻璃鋼部件也逐步增多，并形成了專門生產(chǎn)汽車玻璃鋼零部件的廠家。隨著研究和開發(fā)的不斷深入，玻璃鋼被更多的使用以達(dá)到節(jié)能減排的目的。可以肯定，玻璃鋼今后在汽車上所占的比例將會(huì)越來越大。

1.2 金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料同時(shí)具有幾種成分材料的綜合性能，其是將非金屬纖維、顆粒或晶須加入到金屬基體中，并使其均勻分布。這樣做的目的有兩個(gè)：強(qiáng)化基體和改善材料的物理性能。金屬基復(fù)合材料主要有顆粒增強(qiáng)型和纖維增強(qiáng)型，都使用粉末冶金和鑄造生產(chǎn)。該材料制造過程、工藝和設(shè)備簡單，可以用較低的成本鑄造各種零件。

以前，金屬基復(fù)合材料的主要應(yīng)用是發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、氣缸體、軸承、軸瓦和滑動(dòng)體等。金屬基復(fù)合材料在高性能汽車上的應(yīng)用正不斷取得成功。如汽車制動(dòng)盤在使用性能更好的鋁基復(fù)合材料后，質(zhì)量可比過去通常使用的鑄鐵件減輕一半以上，并能縮短制動(dòng)的距離。

1.3 陶瓷材料

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕及特殊的導(dǎo)電與介電性能。陶瓷材料在汽車部件上的應(yīng)用，可使運(yùn)行特征得到改善并減輕汽車重量。

目前，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上使用陶瓷部件成為各個(gè)汽車生產(chǎn)商主要的研究方向之一。因其導(dǎo)熱性很低，燃燒室不與外部環(huán)境發(fā)生熱交換，使用陶瓷可制造絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、無需潤滑和冷卻水，從而提高熱效率和輸出功率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的主要材料是具有更好耐熱性能的碳化硅及氮化硅類陶瓷。碳化硅類陶瓷基本進(jìn)入了實(shí)用化階段，經(jīng)過硅元素?zé)Y(jié)的燒結(jié)碳化硅材料可制造燃燒器等。因其抗彎強(qiáng)度，發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、葉片圍帶等部件上可使用高氮化硅類陶瓷。賽隆陶瓷是Si-Al-O-N體系中的固溶體，高溫性能優(yōu)異，已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)部件上得到應(yīng)用。

具有高介電常數(shù)的鈦酸鋇等工程陶瓷，可是大幅縮小電容器的尺寸，利用其大電阻正溫度系數(shù)，可使陶瓷電熱器自動(dòng)調(diào)節(jié)熱源。鉛鈦和鉛鋯壓電陶瓷可以應(yīng)用于爆震傳感器，另外，在一條壓電陶瓷塊的一端外均勻地融入適量納米級(jí)的纖維金屬電極，即可使其電功率輸出值增加10倍。

2 建議和結(jié)論

隨著我國居民生活水平的提高，汽車保有量大幅增加，因而在國民經(jīng)濟(jì)中，汽車工業(yè)的重要性越發(fā)顯著。推動(dòng)汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要因素就是新材料的開發(fā)和應(yīng)用。從發(fā)展車用新材料來說，主要有三個(gè)重點(diǎn)：（1）今后，汽車將向著電動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，要大力開發(fā)符合這一發(fā)展要求的車用新材料；（2）新開發(fā)的結(jié)構(gòu)和功能車用新材料要圍繞整車低能耗、低排放的要求；（3）要緊跟國際先進(jìn)車用新材料的發(fā)展步伐，通過開發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的車用新材料來提高汽車工業(yè)的整體水平。

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（責(zé)任編輯：吳 濤）