汽車輕量化材料的選擇與應用探究

戴玉京

摘要：現階段，汽車行業發展迅速，開始向著輕量化方向發展。為達到汽車輕量化的要求，汽車企業需要首先選擇使用輕材料進行制造。本文針對汽車輕量化材料的選擇問題以及應用問題進行探究，以期能夠促使汽車行業更好更快的發展。

關鍵詞：汽車;輕量化材料;選擇;應用

0? 引言

20世紀中葉，歐美等一些發達國家開始對汽車輕量化技術進行研究，希望能夠達到節能減排、減少環境污染的效果，進而全面實現汽車工業的可持續發展。我國在此方面的研究較晚，開始于20世紀80年代，經過多年的實踐研究，在汽車輕量化材料等關鍵技術上取得了一定成果，有效實現了節能減排的目標，同時環境污染現象減少，資源利用率有所提升，有效推動了汽車產業的全面發展。

1? 汽車輕量化材料的選擇

當前階段，能源日益枯竭，加之污染問題，導致環境治理壓力增大。為了有效緩解城市污染壓力，各大城市先后開始實行搖號買車、限號出行的政策，同時積極鼓勵居民購買小排量汽車，從而有效緩解因汽車運行造成的能源消耗以及空氣污染等問題。但是，這些措施都無法從長遠角度徹底解決空氣污染問題，還需要對汽車進行改造設計，從制造源頭解決人們出行與資源環境的沖突，只有全面實現汽車輕量化，才能夠有效緩解能源消耗的矛盾。

在對汽車構造進行設計上使用輕量化材料，并對汽車零件尺寸進行優化，借助整體塑形等生產工藝，能夠有效減輕車輛的整體重量，促使汽車實現節能高效，降低排放污染的目標。而當前汽車輕量化技術主要研究方向就是輕金屬材料，汽車制造中所使用的材料多達4000多種，其中約80%為金屬材料，55%為鋼鐵材料，而15%為鋁鎂等輕合金以及鑄鐵，20%為塑料以及碳纖維等非金屬材料。近年來，汽車制造中逐漸引入輕量化材料，鋼鐵所占比例有所降低，逐步開始使用鋁合金等輕金屬合金。汽車輕量化制造有效迎合了消費大眾的需求，不僅利用低成本的鋼鐵以及輕合金材料混合方式降低了整車的重量，同時在高端車輛上也開始逐步使用碳纖維以及輕合金材料混合技術，雖然費用較為昂貴，但是性能也更高。有部分廠商也開始積極選擇質量輕以及強度高的金屬材料進行生產[1]。

1.1 高強度鋼

汽車的許多零部件都采用高強度鋼進行制造，例如懸架、車身以及底牌等位置。當前階段，開始逐漸針對中低端車輛進行輕量化處理，為維持成本不變，并保證車輛的安全性，就需要有效減薄高強度鋼板的厚度，進而減輕整體車輛的重量，實現節能減排。相關學者在實踐研究中發現，高強度鋼的使用，提升了汽車的整體性價比，同時碰撞安全性能也有所提升，已經開始應用于進口車輛地板B柱以及零部件中，其中凱迪拉克車型應用較多，地板中通道以及AB柱內板中均采取高強度鋼進行制造[2]。同時，高強度鋼在碰撞安全性方面以及經濟性、可加工性等方面都有一定優勢，屬于綜合性能最佳的輕量化材料，高強度鋼在汽車制造中的使用量直接影響著汽車輕量化水平，我國在此方面的使用量相對較少，且起步較晚，未來仍有較大的發展空間。

1.2 鋁合金

相比于鋼而言，鋁合金的密度僅有鋼的1/3之多，且強度以及剛度都較高強度鋼差，為了有效提升汽車的力學性能，就需要積極使用新型鋁合金或者增加鋁合金厚度。如果力學性能相同的情況下，相比于鋼鐵，鋁合金的減重效果能夠達到鋼鐵的50%，可以達到輕量化的要求。相關學者研究指出，鋁合金相比于鋼鐵材料，能夠減重達到30-60%，同時，鋁合金材料也能夠有效減少汽車尾氣，多用于保險杠、車身覆蓋件或者橫梁等位置，因價格相對較高，多適用于寶馬或者奧迪等高端汽車上[3]。

1.3 鎂合金

與鋁相比，鎂的密度僅為其2/3，且消震性以及抗沖擊能力均較強。在汽車的所有結構材料中，最輕的金屬就是鎂，鎂也被認為是理想的輕量化材料。鎂合金多使用在殼體類以及支架類的零件上，相較于鋁合金，鎂合金能夠再減重30%，具有較高的輕量化效果。但是，鎂合金在加工上以及成本上、耐蝕性上都較差，目前仍未大范圍使用。

1.4 鈦合金

相比于其他幾種材料，鈦合金具有一定優勢，不僅強度較高，且能夠耐高溫，使用在航空航天工業中使用。近年來，汽車輕量化發展較快，一些汽車零件生產上也開始使用鈦合金，有效減輕了汽車的整體重量。

2? 汽車輕量化材料的應用

近年來，為了減少環境污染，達到節能減排的目的，我國開始積極向著綠色高效節能環保經濟發展，在此背景下，新能源汽車獲得了有效的發展。新能源汽車在發展上受到了嚴重的阻礙，不僅車身較重，且電池續航能力較差，受到這些因素影響，導致新能源汽車發展受到影響。在此背景下，積極應用鋁合金、鎂合金以及鈦合金等輕量化材料，就能夠有效減輕車身重量，促使新能源汽車獲得更好的發展前景。

在輕量化材料中，鋁合金的碰撞形變能力以及綜合力學性能較為突出，更適合用在新能源汽車的制造上。隨著鋁合金使用量的增多，未來新能源車輛的發展將向著全鋁車身方向發展。目前階段，歐美等一些發達國家開始積極使用鋁合金制造汽車，鋁合金含量達到了80%之高，例如，奧迪A8車身鋁合金含量達到了80%，而特斯拉Model S含量達到了95%。相關學者研究指出，奧迪A8自實現了全鋁車身后，在新能源汽車領域開始應用全鋁車身，例如全新捷豹XFL以及上海通用汽車生產的凱迪拉克CT6[4]。我國鋁資源相對較為豐富，但是在汽車領域的發展卻遠不及歐美發展水平。據相關統計分析，歐洲用于汽車制造的鋁合金達到了每輛300kg，而我國僅為115kg/輛，相信隨著我國汽車行業研發力度的加大，未來鋁合金在新能源汽車上的應用會更為廣闊。

相比于其他材料，鎂合金的消震性能以及力學性能相對較好，在汽車部分支架以及殼體類汽車零件上應用較多，同時也開始積極應用于電動客車的研究中，取得了良好的效果。在第五代奧迪A8汽車的制造中，鎂合金首次應用于車架緩沖支架材料，有效減輕了車身的重量。而山東汽車公司制造的電動大客車中使用了鎂合金，促使車重整體減輕了70%。

3? 汽車輕量化材料在未來發展中面對的挑戰

汽車輕量化技術全球化的發展，促使我國開始積極向著輕量化方向發展，但是在發展過程中，仍面臨著許多問題亟待解決。

首先，輕量化材料在使用過程中成本相對較高，這就嚴重阻礙了輕量化工業的發展進程。目前，有部分汽車企業開始嘗試使用混合材料深化汽車輕量化材料，但是仍未能有效解決成本高的問題?；诖耍S多汽車企業開始對輕量化進行研究，意圖全面滿足汽車工業的需求，保證輕量化材料以及生產設備達到低成本的要求，但是，在研發過程中會耗費大量資金，企業的資金風險也會加劇。在汽車輕量化的發展上，會受到很多因素的影響，未來輕量化材料在研發上，需要積極向著新材料方向發展，從而有效降低原材料的生產成本以及使用成本。對于汽車制造企業而言，也需要不斷優化自身結構，更新生產的工藝以及生產的設備，最大化降低成本支出，促使汽車輕量化材料獲得長遠發展[5]。

其次，輕量化材料的使用加大了維修的難易以及使用成本。如果在汽車運行過程中，鎂合金以及鋁合金零件出現損耗，就需要進行更換或者維修，不僅維修難度較大，且更換的成本也較高。

最后，對于輕量化材料的研發力度不夠，輕量化技術在加工以及設計、開發階段都需要聘請專業的人才進行研究，而輕量化技術集合了多種學科，需要將多種技術融為一體，進行系統性的研究，從而獲得更為廣闊的發展空間，但是當前我國在此方面的研究相對較少，開發難度較大，輕量化材料的發展面臨新的問題[6]。

4? 結語

綜合上述分析，汽車輕量化已經成為了汽車行業未來發展的必然趨勢，由此，就需要做好汽車輕量化材料的研究工作。當前，我國針對汽車輕量化材料的研究相對較少，在發展上還存在很多不足，這就需要汽車行業積極抓住全球化發展機遇，加大改革力度，促使汽車的制造向著環保型以及輕量型方向發展，全面推進汽車輕量化的工業化發展進程。

參考文獻：

[1]陳靜，彭博，王登峰，等.碳纖維增強復合材料電池箱輕量化設計[J].汽車工程，2020，42（2）：257-263，277.

[2]趙靜，富麗，張祖祎.汽車輕量化用復合材料的淺析[J].居業，2019，11（9）：1-2，4.

[3]張鑫，趙曉昱，蘭祥，等.汽車用碳纖維復合材料前防撞梁的輕量化與優化設計[J].玻璃鋼/復合材料，2019，27（8）：98-103.

[4]高永迪.試論鋁合金材料在未來汽車輕量化中的應用與發展[J].世界有色金屬，2019，29（21）：174，176.

[5]劉志偉，孟洲漁，周小梅，等.汽車輕量化背景下節能環保新材料的選用[J].天津科技，2019，46（8）：22-24.

[6]馬琳，耿雷.國外汽車輕量化材料應用經驗借鑒[J].新材料產業，2019，19（6）：28-31.