新能源汽車車身材料特性及發(fā)展現(xiàn)狀淺談

孫麗萍

摘 要：隨著能源枯竭，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重化，給國際汽車工業(yè)變更面提出了新的挑戰(zhàn)。能源的枯竭帶動(dòng)了新能源的迅速發(fā)展，但是新能源發(fā)展給整車的重量提出了一個(gè)新的挑戰(zhàn)，一些新生材料的應(yīng)用起到了關(guān)鍵性的作用。研究表明，一般汽車每減輕1kg的重量，1L的汽油可使汽車多行駛約1m。車身在整車中占約25%左右的重量，所以車身的材料對整車的重量減輕起著關(guān)鍵性的作用。

關(guān)鍵詞：車身；輕量化；高強(qiáng)纖維復(fù)合材料

引言

本文主要針對可應(yīng)用于車身的主要材料進(jìn)行性能、成型工藝、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行比對，尋找出適合現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展方向的高性能材料。

1 車身材料的種類

車身材料既要滿足車身設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、裝配、維修維護(hù)方面的要求；還要滿足使用、安全、美觀等方面的要求。

1.1 傳統(tǒng)車身材料

現(xiàn)在市面上的傳統(tǒng)汽車大都還是鋼結(jié)構(gòu)車身，占整個(gè)汽車行業(yè)的80%，還有玻璃鋼，傳統(tǒng)塑料（材料為傳統(tǒng)的PE、ABS、EMA等）。

1.2 新生車身材料

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新生材料被廣泛的應(yīng)用到車身當(dāng)中，包括鋁合金、碳纖維復(fù)合材料等為主。

2 各種材料的發(fā)展史

鋼結(jié)構(gòu)車身已經(jīng)有很悠久的歷史了，1915年福特生產(chǎn)了第一輛鋼結(jié)構(gòu)車身。50年代-70年代出現(xiàn)鋁合金及塑料零件，但是僅是車身上的某個(gè)零部件，20世紀(jì)80年代，高強(qiáng)度鋼板開始廣泛應(yīng)用到車身覆蓋件上，從此一直延續(xù)到現(xiàn)在，而且在未來的10-20年，仍然被廣泛應(yīng)用。

1962年，中科院長春應(yīng)用化學(xué)所成立 “聚丙烯腈基碳纖維的研制”課題組，開展大量的基礎(chǔ)研究，從此碳纖維材料這種新興的材料被大眾認(rèn)知，進(jìn)幾年這種材料被廣泛的應(yīng)用到航天、方程式賽車及高端車身上。隨著科技的發(fā)展，材料的成本逐步下降，不久的將來將廣泛地應(yīng)用到民用車身。

3 材料的特性比較

3.1 密度（重量）

從表1可以看出，新興的材料比傳統(tǒng)的鋼材密度要低三到七倍，這對整車車身重量來說是很大的優(yōu)勢，但是單純地從密度來看是不夠的，厚度也是起到?jīng)Q定性作用的，綜合考量，鋁鎂合金和塑料、高強(qiáng)度復(fù)合纖維材料都是替代傳統(tǒng)鋼材的主要材料。

3.2 抗拉強(qiáng)度

從表1中可以分析出，碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他的材料，優(yōu)勢很突出。與鋼材相比，碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量是鋼材的一半，而在碰撞中對能量的吸收能力卻比鋼材高出4-5倍。用碳纖維復(fù)合材料制造的汽車前部框架和保險(xiǎn)杠骨架呈現(xiàn)塔狀的潰縮柱，通過材料、加工工藝、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)合，使得這種潰縮柱能夠在正面碰撞過程中破碎成無數(shù)細(xì)小的碎片，達(dá)到吸能的效果，保證了乘員的安全。

3.3 防腐蝕性

汽車上很多零件都需要承受汽油、機(jī)油、汽車傳動(dòng)液等化學(xué)制劑的腐蝕以及雨雪天高鹽、高堿、高溫嚴(yán)寒等環(huán)境的影響，所以要求材料必須具有抗腐蝕性。（1）鋼材抗腐蝕性一般，需要進(jìn)行特殊的防腐處理，難以保證在不同條件和環(huán)境下的一致性及使用壽命。（2）鋁合金及鋁鎂合金都是很好的抗腐蝕材料，但和鋼材具有相同的一致性和使用壽命的問題。（3）玻璃鋼、塑料、碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐酸、耐堿好、耐鹽和有機(jī)溶劑性，是很優(yōu)良的耐腐蝕材料，其使用壽命也相對其他較長。

3.4 經(jīng)濟(jì)性

（1）單純地從減少油耗來說，新型材料都優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼板。（2）制造成本來說，由于鋼板和傳統(tǒng)工程塑料的發(fā)展悠久，所以鋼板、工程塑料的制造成本相對較低，而鋁合金和鋁鎂合金雖然沒有鋼板的歷史長，但是加工工藝大部分可以借鑒傳統(tǒng)鋼板的沖壓工藝，所以制造成本相對可以接受，但是碳纖維復(fù)合材料發(fā)展時(shí)間相對較短，未能夠達(dá)到批量生產(chǎn)的技術(shù)，而且加工過程中工時(shí)相對較長，所以它的成本是最高的。（3）單純的比較材料本身的成本，每噸的價(jià)格由低到高排列為：塑料-鋼板-玻璃鋼-鋁合金鋁鎂合金-碳纖維復(fù)合材料。

3.5 加工工藝

（1）鋼板：沖壓、滾壓，折彎等。（2）鋁合金和鋁鎂合金：沖壓、滾壓、擠壓等。（3）塑料：注塑、吸塑、吹塑等。（4）玻璃鋼：低壓成型工藝。（5）碳纖維復(fù)合材料：長纖維纏繞法、碳?xì)侄汤w維模壓或噴射成型、石墨布疊層等方法。

3.6 安全性及舒適性

汽車的輕量化發(fā)展對車身的安全性提出了新的要求，有關(guān)數(shù)據(jù)分析可知，在相同的性能條件下，質(zhì)量越輕，安全系數(shù)反而下降，所以對材料的本身的性能要求更高了。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們對汽車的要求不在停留在使用上了，對舒適性也有很高的要求。體現(xiàn)舒適性的一個(gè)重要的指標(biāo)就是振動(dòng)與噪聲，復(fù)合型材料，尤其是非金屬的復(fù)合型材料的吸音效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬材料。

4 各種材料的應(yīng)用

（1）鋼材：車身骨架、白車身本體等結(jié)構(gòu)件。（2）鋁合金及鋁鎂合金：缸體、缸蓋、輪輞、保險(xiǎn)杠、散熱器、冷凝器等承受沖擊、振動(dòng)載荷和腐蝕條件下工作的零部件。（3）工程塑料：內(nèi)飾件、外裝飾件、行李架及各種電器傳感器殼體等。（4）玻璃鋼：前后保險(xiǎn)杠、頂棚等外裝飾件及客車車身等。（5）碳纖維復(fù)合材料：目前碳纖維在民用車上應(yīng)用最廣泛的就是輪轂、剎車片、傳動(dòng)軸等，在跑車及方程式賽車上應(yīng)用廣泛。

5 新材料發(fā)展過程中存在的問題

（1）設(shè)計(jì)的創(chuàng)新：新材料之所以未能迅速的應(yīng)用到車身上，一個(gè)主要原因是設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)創(chuàng)新思想。新的材料誕生，新的設(shè)計(jì)理念也應(yīng)隨之迅速發(fā)展起來，才能帶動(dòng)整個(gè)汽車行業(yè)乃至這個(gè)工業(yè)有個(gè)飛速的發(fā)展。（2）經(jīng)濟(jì)性：雖然國家大力度鼓勵(lì)和支持新能源、新材料、新技術(shù)的發(fā)展，由于發(fā)展速度相對緩慢，無法實(shí)現(xiàn)新材料零部件的批量生產(chǎn)，造成單件比較高，難以全面普及。（3）規(guī)章制度：新的材料、新的能源、新型技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)該隨之迅速更新，這樣才能規(guī)范市場，合理利用這些新的資源。

6 結(jié)束語

隨著科技及工業(yè)的迅速發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)的縷縷突破，除了文中介紹的幾種典型的材料，還有像陶瓷、粉末金屬等，通過設(shè)計(jì)的改進(jìn)，結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，車身材料也可以多樣性。汽車機(jī)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)需要開發(fā)設(shè)計(jì)更合理的輕型車體結(jié)構(gòu)和零部件，合適的材料用于合適的部位，并用最少的材料最低的成本來獲得最佳的結(jié)構(gòu)性能，既經(jīng)濟(jì)又可靠。

參考文獻(xiàn)

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