汽車材料及結構輕量化的研究進展

熊培練

摘 要：隨著人們在日常生活中對汽車的依賴程度增加，汽車的產量逐年增加，伴隨著環境污染加重和能源短缺問題的出現。汽車輕量化逐漸受到人們的關注，本文介紹汽車輕量化在國內外的發展現狀和趨勢的同時，具體介紹汽車輕量化的兩個主要方向：汽車材料和結構輕量化。汽車材料輕量化中具體介紹了金屬材料如高強度鋼、鋁合金、鎂合金和非金屬材料如碳纖維、塑料和樹脂在汽車行業的應用;汽車結構輕量化主要通過結構設計達到減輕汽車重量、節能減排目的。最后對汽車輕量化未來的發展進行展望。

關鍵詞：汽車材料;汽車結構;輕量化;節能減排

1 引言

隨著人們在日常生活中對汽車的依賴程度增加，汽車的產量逐年增加，生產技術也不斷提升。雖然汽車使人們出行更加便利高效，提高人們生活質量，但同時尾氣排放的增加也造成了環境的不可逆污染日益加劇，能源的使用量也不斷提高。現如今在汽車行業能節能減排實現低碳經濟的主要有兩個方向：第一，汽車材料輕量化;第二，汽車結構輕量化。據相關研究表明汽車重量每下降10%，燃油的用量下降6%～8%，尾氣的排放量下降4%～10%。輕量化汽車的使用能節能減排的同時也改善了汽車的性能，提高汽車行駛的安全性。目前，汽車輕量化已成為汽車行業發展的必然趨勢。[1-8]

2 國內外汽車輕量化的發展現狀及趨勢

我國汽車行業在輕量化方面的發展雖然已經起步并逐漸形成了一個較為完整的體系，但是和其他國家相比還是差距顯著。首先，國內的自主創新能力弱，大部分依賴國外先進技術。日本、德國、美國發表關于汽車輕量化方面的專利數量占全球專利總數量的70%，其中發表的核心專利占80%。國內應加強汽車輕量化核心專利發表的重視，提高汽車輕量化的自主創新能力，并自主創造出具有優異性能的輕量化汽車。其次，國內沒有完善的汽車輕量化組織體系，汽車企業沒有設置專門的研發部門，沒有注重企業、高校、研究機構各方的協同。國外不僅有政府的支持，也同時推動構建“企業+高校+研究機構”的產業組織體系。最后，國外政府出臺政策扶持、引導汽車輕量化應用，例如技術標準包括燃油經濟性標準、溫室氣體排放標準、技術要求及目標;財稅政策包括高額燃油稅、重量稅、財政補貼、經濟處罰;科技計劃：共性關鍵技術研發項目、鼓勵和支持跨產業合作。國內也應加強政府指導，出臺相關政策，大力發展汽車輕量化技術。[8-11]

3 汽車材料輕量化

汽車材料輕量化和汽車結構輕量化兩者相輔相成，通過減輕汽車重量來減輕環境污染、降低能源消耗、提高汽車性能。在20世紀80年代，大部分汽車材料都是由鋼鐵組成，但世界石油危機爆發后，人們開始追求輕量化汽車材料以降低燃油使用量。因此增加了如高強度鋼、鎂合金、鋁合金、鈦合金、鋅合金以及塑料、橡膠等低密度、高強度、性能優異汽車材料的使用，而鋼鐵材料在汽車方面的應用比例有一定降低。[2]

3.1 金屬類材料

3.1.1 高強度鋼

汽車材料制造技術不斷更新的時代，陸續出現了鎂、鋁合金等輕質材料代替傳統鋼鐵，導致鋼鐵生產企業面臨危機。面對市場需求日益衰減的境況，鋼鐵企業迅速采取有效措施，研發制造出密度低，高強度的車用高強度鋼。[3]高強度鋼又可分為高強度、超高強度鋼以及特高強度鋼板。[1]相比普通鋼材，高強度鋼能減輕車身重量達16%，提高燃油經濟性達10%。雖然其密度比鎂、鋁合金大，但高強度鋼具有強度高、塑性較好、韌性較好、安全性高、成本較低等優點，因而在汽車方面得到廣泛應用。 鋼材主要分布在車身，然而車身重量占整車重量的40%～60%，所以高強度鋼的使用能很大程度的減輕車身重量，實現汽車輕量化。[12]

3.1.2 鋁合金

鋁合金相比鋼材具有更小的密度，其密度只是鋼材的1/3，還具有比強度高、抗腐蝕強、導熱性好、物理性能良好等優點。[13]根據鋁合金材料性能的不同，其在汽車上的應用也有差異。汽車生產中的鋁合金材料可分為三類：鑄造鋁合金因其良好的耐腐蝕性及導熱性，在汽車的發動機氣缸蓋、熱交換器及氣缸體應用廣泛;變形鋁合金因其韌性好和強度高的優點，在汽車懸掛零件、結構件、車身面板等應用廣泛;鋁基復合材料具有抗疲勞、抗斷裂等優點，在汽車的驅動軸、搖臂等零件中應用廣泛。[5]雖然鋁合金的成本高，只有國外的少數運動和豪華車型上得到應用，但其顯著的減重能力使其在汽車材料輕量化中占據舉足輕重的地位。

3.1.3 鎂合金

鎂合金具有優異的散熱性和減震性，其重量只是鋁合金材料的66%。[3]根據其良好的性能在汽車產業中也逐漸得到重視，主要應用在方向盤、軸承、安全氣囊底座和車身部分。[7]在歐洲和美國汽車材料領域應用廣泛，已經投入使用和正在產品研發階段的汽車用鎂合金產品分別為60和100余種，其中鎂合金的單車用量分別為9.3～20.3kg和5.8～26.3kg。[1]但在國內由于鎂合金生產工藝較復雜、成本較高，在單車上的使用量不足1.5kg。我國應加大開發利用鎂合金簡化生產工藝、優化性能，在汽車材料輕量化上充分發揮其輕質優點。[9]

3.2 非金屬類材料

3.2.1 碳纖維

碳纖維是一種含碳量高達90%的纖維狀碳材料，具有低密度、耐高溫、高強度、耐腐蝕性強等特點。[1]歐美日等發達國家的汽車行業巨頭們都引領并推動著碳纖維材料在汽車上應用，德國寶馬公司還率先將碳纖維材料全方位的應用在汽車上，其中包括：車身、底盤、車頂、車門、引擎蓋、尾翼、儀表盤、傳動軸、頭蓋、壓尾翼、中控臺等系統。寶馬公司生產的碳纖維量產電動汽車，其整車車身全部由碳纖維制造，車身重量僅有112.2kg。除了寶馬公司，豐田、大眾、奔馳、現代等各大汽車廠商都在加大對碳纖維的開發力度，以期實現汽車輕量化。[14]

3.2.2 塑料

車用塑料具有質量輕、耐熱、耐腐蝕、韌性好等優點，因此在汽車上的使用量也逐年增加。汽車上使用的塑料主要為用于儀表盤、輪圈蓋和引擎部件的聚丙烯（PP）;用于汽車地毯的聚乙烯（PE）;用于汽車保險杠格柵的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）。[1]現在國外的汽車廠商已經研制出性能更優異的車用塑料，不僅減重，還兼顧汽車制造成本、質量、功能，未來塑料在汽車上的使用范圍將更加廣泛。[15-16]