國外汽車輕量化材料應用經驗借鑒

馬琳 耿雷

近年來，隨著汽車工業的迅猛發展以及人們生活水平的提高，汽車保有量急劇增加，對能源的依存度也越來越高，節能和環保已經成為世界汽車工業目前發展面臨的2大難題。研究表明，降低汽車重量能夠有效降低油耗以及排放，整車質量每下降10%，油耗下降6%～8%，排放下降4%～10%，輕量化已經成為汽車工業的一個重要發展方向，新材料的應用則被認為是實現汽車“減重”的關鍵。德國、美國、日本等汽車制造大國紛紛加強輕量化材料在汽車領域的應用，并取得了較好效果。相比之下，我國汽車在輕量化材料應用方面與國外先進水平相比存在較大差距，如鋁及鋼用量約是國際先進水平的一半左右，鎂合金用量則是歐洲先進水平的1/10左右。因此深入研究發達國家在汽車輕量化材料應用方面的成功經驗，可以給我國的汽車輕量化材料推廣應用帶來很多啟示。

1 輕量化已經成為汽車工業發展的必然趨勢

1.1 各國紛紛收緊汽車能耗及排放政策

能源與環境危機加速了各國政府對汽車能耗和排放的嚴格控制，日本從1966年就開始加強對汽車排放的控制，其2005年開始實施的長期限制標準被譽為世界上最嚴格的尾氣限制標準。2009年5月，美國奧巴馬政府也宣布了限制汽車溫室氣體排放和油耗的新法規，要求在2016年新車平均燃油經濟性要在2007年水平基礎上提高42%。此外，韓國也計劃于2020年繼續收緊對于汽車排放的控制法規。輕量化設計將成為目前改善汽車能耗和排放的必要途徑之一。詳見表1所示。

1.2 各國政府高度重視汽車輕量化技術研究

美國政府早在1993年就提出了新一代汽車合作計劃（PNGV），其中整車輕量化應用技術是其中主要的技術路線，2002年又提出了自由合作汽車研究（CAR）計劃，輕量化也是核心的技術路線之一。2005年歐盟第六框架計劃之下也開展了超輕車身聯合研發項目（SuperLIGHT—CAR）研發項目，目的是減少轎車質量、節約燃油和減少CO2排放，實現車身減重30%。此外，世界鋼鐵聯盟也先后開展了超輕量化鋼汽車車身項目、超輕量化鋼先進汽車項目等，加強汽車輕量化相關技術攻關。

1.3 汽車輕量化材料應用逐年提升

隨著各國對汽車輕量化的重視程度不斷提高，輕量化材料應用比例呈現逐年上升的發展趨勢，目前全球車企使用較多的輕量化新材料主要包括碳纖維、鋁合金、鎂合金、工程塑料等。德國、美國、日本是目前全球汽車輕量化材料使用比例相對較高的國家，其中德國的汽車輕量化材料應用占比達25%左右，是全球使用比例最高的國家，詳見表2所示。

2 國外汽車輕量化材料應用的主要做法

2.1 政府引導有力

出臺多項政策措施。目前美國、德國、日本等國際汽車強國都紛紛出臺了相關政策扶持、引導汽車輕量化應用，并且從技術標準、財稅政策、科技計劃等多方面出臺多項政策措施，倒逼汽車輕量化材料應用快速發展，詳見表3所示。

明確發展目標和技術路線圖。目前美、日、歐、韓等國都針對汽車輕量化提出了明確的發展指標和技術路線，如美國不僅提出了整車輕量化的目標，并且針對這個目標對包括車身系統、底盤、動力總成在內的整個組成系統進行目標拆分，同時重點關注高強鋼、鋁、鎂、鈦合金鎳合金、復合材料等汽車輕量化材料，詳見表4所示。日本則重點關注鋼鐵、非鐵金屬（鋁、鎂等）、樹脂/復合材料等材料，及其加工技術和連接技術，并提出明確的輕量化目標。

2.2 加強多部門的協同創新

目前世界各國都高度關注輕量化材料及產業的發展，在推動模式上，不僅有政府的強力推動，同時注重各方的協同，在共性關鍵技術研發上，一般都是采用政府支持、社會組織協調、產學研共同參與的模式，鼓勵和支持跨產業合作，利用研發計劃、科技計劃等方式給予支持，推動構建“企業+高校+研究機構”的產業組織體系。

為支持輕量化材料發展，美國還成立了“面向未來輕量化創新中心”，目前創新中心的會員單位已經超過200家，涵蓋了研究機構、大學、制造企業、社區學院、非盈利機構等產學研各方，有利于集中資金、人才、設備等各類資源，開展多方協同創新。

日本、德國輕量化材料的研發項目雖然大多數都是由企業自己執行，但是政府充分發揮推動作用，通過經費投入、組織協調、政策保障等方式組織各方創新力量協同，形成各創新主體分工明確而又協同有序的發展形勢。

2.3 重視專利的戰略布局

從全球汽車輕量化技術專利來看，日本、德國、美國的專利占比約占全球專利總量的70%左右，其中核心專利達到80%以上。企業分布以車企為主，同時還包括鋼鐵制造、化學制品、電子產品、橡膠等生產企業。不同的企業針對各自的研發方向各有側重，并且圍繞其核心專利進行全球化布局。全球主要車企的輕量化材料專利布局重點詳見表5所示。

2.4 優先選擇豪華車和新能源車

成本高是制約汽車輕量化材料應用的一個主要瓶頸。一是研發成本高，汽車輕量化材料的研發投入大、周期長、風險高。二是材料成本高，高強鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維等輕量化材料相比傳統的鑄鐵、鋼材等價格較高。三是車企制造成本高，新材料的使用需要車企更換新的、與材料性能相適應的模具、生產線和設備等，帶來企業生產成本增加。四是后期維護成本高，受制于鋁合金、碳纖維等材料屬性，發生事故車身受損后維修成本很高。為應對成本高問題，目前國外車企在輕量化材料的應用上優先選擇對成本不敏感的豪華車和新能源車，以推動輕量化材料的應用推廣。

豪華車由于對成本的敏感度較低，更加注重速度和性能，已經成為輕量化材料的應用重點。自2011年寶馬發布由復合材料制造的BMW i子品牌，就開啟了豪華車“輕量化”時代，目前寶馬、奔馳、奧迪、保時捷、法拉利等豪華跑車和高端車品牌紛紛在部分車型上實現大規模的輕量化材料應用（表6）。

新能源車也是輕量化材料大規模應用的一個重點方向，一方面輕量化材料應用對提升新能源車電池續航里程的作用優勢明顯，統計數據表明，整車質量減少10%，單次充電的行駛里程增加5.5%，另一方面部分新能源車屬于新車型，不存在傳統車型模具的成本支出，能夠有效降低輕量化材料的使用成本。如特斯拉的Model S和Model X均采用了全鋁車身，即約90%的機構件均使用鋁合金，降重效果十分明顯。

2.5 注重多種材料的綜合優化應用

鋁合金由于在汽車上使用較早，工藝相對成熟，是很多車企首選的輕量化材料，并致力于打造全鋁車身。但隨著眾多新材料的不斷涌現，對汽車零部件的選材也有了更大的選擇空間，單一材料已經難以同時滿足汽車零部件輕量化、工藝性、安全性、低成本等多種要求。因此國外車企在滿足汽車零部件基本性能要求的前提下，更加傾向于“多材料組合”和“合適的材料用于合適的部位”，如新一代奧迪A8豪華車型已經正式放棄全鋁車身，回歸選用鋼鐵材料，特斯拉Model 3為降低成本，也放棄全鋁車身，選擇了鋼鋁混合車身結構，多種材料綜合優化應用逐漸成為世界各國發展汽車輕量化的主要方向。

北美地區以年均5.6%的復合增長率成為全球最大的汽車輕量化材料市場，其輕量化材料的應用也呈現多種材料綜合應用的發展趨勢，除了傳統的鋼鐵、鑄鐵等材料的應用比例有所下降外，鋁、其他金屬、塑料等輕量化材料呈現逐漸上升的發展趨勢。圖1展示了1975—2025年北美地區汽車輕量化材料應用比例變化。

3 對我國汽車輕量化材料應用的經驗借鑒

3.1 加強政策扶持和引導

一是充分發揮現有政策的引導作用，利用現有新材料生產應用示范平臺、檢驗檢測平臺、首批次保險、新材料專項、重大科技專項等，加大對汽車輕量化材料的研發和產業化的引導。二是從控制溫室氣體排放、提高燃油稅和重量稅、加大研發投入等多方面進一步完善輕量化材料的扶持政策體系，尤其在稅收、消費等環節加強針對輕量化汽車的鼓勵政策，倒逼企業加大汽車輕量化材料的應用。三是加大對輕量化材料的財政支持力度，通過貼息貸款、補助等方式，對重點輕量化材料領域開發的市場前景好、技術成熟度高、易于產業化的項目進行重點扶持，加大推廣應用力度。四是盡快完善汽車工業的材料標準體系，對一些長期沒有修訂、與輕量化汽車市場需求不相適應的標準進行修訂，加快制定高強鋼、鋁合金、鎂合金、塑料、碳纖維等汽車新材料及零部件技術標準。

3.2 強化協同創新

一是組織科研機構、大學、汽車制造企業、材料生產企業等組建國家級輕量化材料創新中心，重點解決我國目前輕量化材料應用比例偏低、關鍵核心技術基礎不牢、創新載體分散、創新成果轉化不暢等核心問題，實現創新資源整合，推動知識、資本、人才的靈活流動和合理配置，重點加強整車設計優化和評價技術、零部件設計和評價技術、新材料開發和成型技術、連接技術等關鍵技術的攻關及產業化。二是充分發揮企業在技術創新決策、研發投入、科研組織和成果轉化中的主體作用，加快構建以企業為主體、市場為導向、產學研相結合創新機制。三是鼓勵產業鏈上下游合作，加強材料生產企業與汽車制造企業之間的合作，通過建立聯盟、開展產業對接會等形式，打通上下游產業通道。

3.3 開展應用示范

一是整合相關政策資源，在全國范圍內選擇技術較為成熟、人才資源豐富、市場基礎好的車企進行先行先試，并根據市場情況進行推廣，示范過程中加快制定相關行業標準，形成可以復制的經驗。二是充分發揮我國作為全球最大的新能源汽車市場優勢，優先選擇技術較為成熟的新能源車型開展示范，通過貼息、消費補貼等形式進行扶持。三是鼓勵地方政府針對當地發展現狀，篩選有實力的企業開展應用示范，并進行相關扶持。

3.4 重視專利的質量提升和前瞻性布局

一是通過開展專利講座、專利申請前評估、細化鼓勵政策等措施，引導企業、科研院所等強化對高質量專利的重視程度，提升我國輕量化專利質量和水平，尤其是核心專利的占比。二是引導實力較強的生產企業聯合科研院所加強對專利的前瞻性布局，尤其在材料研發、車身輕量化優化設計、成型焊接工藝等國內較為薄弱的領域進行全球性專利布局。三是加強對全球輕量化核心專利的系統性研究，尤其是美國、日本、德國輕量化材料專利的發展趨勢，了解其專利申請保護的策略，預判技術發展趨勢，開展專利分析預警工作，為我國未來汽車輕量化戰略布局提供借鑒。