大力開發汽車輕量化材料

曾昆

近年來，節能減排和綠色發展一直是學界、產業界和政府關注的重點。飛速發展的汽車產業是能耗和碳排放大戶，因而推動汽車輕量化發展成為必然趨勢。在降低油耗和減少排放的要求下，減少交通運輸工具自身重量是最有效措施之一。而交通運輸工具減重就是在保證交通運輸工具強度和安全性前提下，盡可能降低交通運輸工具整備質量，從而提高其動力性，減少能耗和污染物排放。

目前，汽車輕量化的途徑主要有三個：一是優化結構設計，二是使用輕量化材料，三是應用先進制造工藝。其中，輕量化材料是為了達到輕量化目的而采用的更低密度和更高強度的材料。

在節能減排大趨勢下，許多國家政府制定了輕量化發展規劃，不斷提高燃油經濟性標準和二氧化碳減排的要求，鼓勵汽車廠商加大輕量化車型的研發，擴大輕量化材料應用。2014年，美國從國家層面成立了“面向未來輕量化創新中心”。未來十年，歐洲車企的目標是進一步減輕車身重量，力爭實現減重20%目標。2015年豐田發布“豐田環境挑戰2050”戰略，其中涉及汽車輕量化領域的技術革新。日產公司的目標是從2014年開始，汽車質量每年減少3.4%-3.8%，到2020年減少20%-30%。

就我國而言，汽車行業起步較晚，汽車輕量化發展時間短，輕量化制造工藝和相關技術、輕量化材料研發和應用等與國際先進水平相比還有一定差距。但在節能減排和綠色發展的要求下，隨著我國汽車保有量的日益增加，政府對汽車燃料消耗和排放的要求越來越高，倒逼汽車輕量化發展，帶動了我國輕量化材料的快速發展。

目前，我國從政府到企業在輕量化材料研發方面投入了大量的人力、物力和財力，涌現了一批研究成果，推動了輕量化材料的技術進步。在國家政策的鼓勵下，我國汽車企業一直進行輕量化技術的研發和應用，在輕量化材料應用上取得了積極的進展，上汽、長安汽車等車企輕合金材料應用范圍逐步擴大。

就發展趨勢而言，輕量化材料的發展方向和趨勢與汽車發展方向和趨勢密不可分，未來，汽車發展呈現低碳化、信息化與智能化三大發展趨勢。低碳化要求汽車通過改變燃燒方式、使用替代燃料、提高混合度、車身及零部件輕量化等方式減少能源消耗，降低排放。信息化是通過移動互聯網、V2V、V2X等新一代通訊技術提高車聯網水平，滿足用戶的信息獲取需求。智能化是利用大數據與機器智能等實現ADAS與無人駕駛，將駕駛員解放出來，提高駕駛的安全性。

為滿足汽車低碳化發展要求，各種輕量化材料的性能將進一步優化，成本進一步降低，材料選擇將更加多元化。2016年發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》顯示，未來我國汽車輕量化發展大致經歷三個階段，不同階段輕量化材料呈現不同的發展趨勢。

第一，高強鋼占據主導地位，應用比例達到50%以上。第一階段為2016年至2020年，實現整車比2015年減重10%。這一階段重點發展超高強度鋼和先進高強度鋼技術，包括材料性能開發、輕量化設計方法、成型技術、焊接工藝、測試評價方法等，開展鋁合金板材沖壓制作技術研發并在車身得以實踐，研發不同材料的連接技術；適當應用鋁合金、鎂合金和纖維增強復合材料。到2020年，實現高強度鋼在汽車應用比例達到50%以上，單車用鋁量達到190公斤，單車用鎂量達到15公斤，碳纖維增強復合材料成本比2015年降低50%，使用量有所擴大。

第二，鋼鋁多種材料混用，單車用鋁量大幅增加。第二階段為2021年至2025年，實現整車比2015年減重20%。這一階段重點發展第三代汽車鋼和鋁合金技術，實現鋼鋁多種材料混合車身，全鋁車身大范圍應用，鋁合金覆蓋件和鋁合金零部件的批量生產和產業化應用，同時加大對鎂合金和碳纖維復合材料零部件生產制造技術的開發，增加鎂合金和碳纖維零部件的應用比例。到2025年，實現第三代汽車鋼應用比例達到白車身重量的30%，單車用鋁量超過250公斤，單車用鎂量達到25公斤，碳纖維增強復合材料成本比第一階段降低50%，使用量占車重的2%。

第三，鎂合金和碳纖維復合材料技術實現突破，實現大范圍應用。第三階段為2026年至2030年，實現整車比2015年減重35%，重點發展鎂合金和碳纖維復合材料技術，解決鎂合金及復合材料循環再利用問題，實現碳纖維復合材料混合車身及碳纖維零部件的大范圍應用，突破復雜零件成型技術和異種零件連接技術。到2030年，2000MPa級以上鋼材有一定應用比例，單車用鋁量超過350公斤，單車用鎂量達到45公斤，碳纖維增強復合材料成本較第二階段降低50%，使用量占車重5%。