混合材料正在成為全球汽車產業發展新趨勢

王偉東｜文

（作者單位：北京安泰科信息股份有限公司）

為實現輕量化，汽車制造廠商除了簡化車身結構設計、減少車身零部件數量外，更多使用鋁、鎂、碳纖維復合材料等輕質材料和高強度鋼來進一步降低車身自重已成為業內共識，多種材料混合使用的車身材料應用設計理念正在興起。

隨著世界各國汽車保有數量的不斷增多，傳統燃油車尾氣導致的碳排放問題愈加受到廣泛關注。全球汽車主機廠為滿足與汽車節能減排有關的政策法規要求，除了積極研發和生產新能源車型外，也在通過減少車身自重來達到環保要求，汽車輕量化進程正在不斷加快。

混合材料車身結構設計是發展趨勢

為了進一步改善車輛的燃油經濟性、提高車輛行駛安全性、整體提升駕駛體驗，汽車制造商們不再局限于使用單一材料，開始逐步嘗試多種材料混合使用的優化設計方法，將最合適的材料以最好的方式應用到汽車的各個部位上。這種汽車設計思路的變化也成為推動鋁在汽車行業消費量不斷增長、市場占有率不斷提高的主要因素之一。

通常情況下，如果想對汽車減重，就必須大規模地改用輕金屬材料或復合材料。汽車制造商們也表示，如果想將一輛車減重15%，很難不依靠輕量化材料。不過，目前汽車制造商使用的比較常見的減重方式是使用耐高溫塑料以及縮小發動機尺寸。如果需要為汽車減去5%的重量，汽車制造商通常會選擇鋼鋁一體化結構設計，例如福特推出的全鋁車身F-150。

另一方面，采用材料混合使用車身結構設計也是出于安全方面的考慮。一種觀點認為，既然以鋁代鋼會給汽車帶來諸多好處，應該將所有鋼制部件盡可能地更換為鋁制部件，于是“全鋁汽車”就此出現，即整個白車身和四門兩蓋全部以鋁制成，這使得整個車身減重效果更加顯著。但汽車工程設計和研究人員隨后也發現，全部采用鋁結構設計也存在一定弊端，比如行駛安全問題。

以全球首家推出全鋁轎車的奧迪公司為例，在奧迪A8 新的奧迪車身框架結構設計中，鋁仍被作為一種重要的建造材料。鋁制部件占新款A8 轎車車身部件中所占比例為58%，在四種輕量化材料中用量最多。鋁鑄件、擠壓型材和板材的使用是奧迪車身框架結構具有的主要材料應用特征。

鎂材料主要用于支柱支撐，與老款車型部件相比，其減重效果達到28%。鋁螺栓固定連接到支撐塔的圓頂，確保了車身的高扭轉剛度。在發生正面碰撞的情況下，所產生的作用力被分配到車身前端的三個緩沖器上面。

多種熱成型高強度鋼制零部件構成了汽車乘坐艙，這些零部件包括前艙壁下部、側柱、B 柱和車頂梁的前端部分。其中一些金屬板材通過在不同厚度下使用裁剪技術生產出來，其他一些部件還需要進行局部熱處理，從而實現重量減輕而強度增加，并在車輛特別需要提高安全防護的區域使用。

在其整體尺寸方面，一種由碳纖維增強復合材料制成的超高強度、高扭矩強度后面板是新奧迪A8 乘坐駕駛艙中尺寸最大的部件，它使整車的扭轉剛度提高了33%。為了優化和吸收縱向、橫向載荷以及剪切應力，有6~19 層碳纖維材料被安放其中，以確保負載優化布局。

毋庸置疑的是，鋁仍然是在汽車應用材料領域發展最快、最具市場競爭力的金屬材料。為了進一步改善車輛的燃油經濟性、車輛行駛安全性、提升駕駛操控性，汽車制造商們不再局限于使用單一材料，而開始逐步嘗試用多種材料混合使用的更佳設計方法，將最合適的材料通過最好方式應用到汽車的各個部位上。

車身材料連接技術的不斷進步為材料混合使用提供了保障

當然，車身材料混合使用設計不只是簡單把鋼制材料換為鋁制或其他材料，還要考慮到不同材料之間的連接技術問題，這對于整車的使用壽命和安全性至關重要。隨著車身連接工藝和材料粘接技術的不斷進步，汽車生產商具有了車身材料混合使用的技術條件。

同樣以奧迪公司為例，該公司在完成了對新一代A8 轎車車身框架結構進行重建的同時，其位于德國內卡蘇爾姆的生產車間也是專門為了建造即將到來的旗艦車型而重新設計。這個新建的高度達到41 米的車身生產車間提供了各種高度復雜且節能的生產操作工序，其中共使用了14 種不同的連接工藝。

在這些連接工藝中，在前門和后門的切口區域進行的機器人包邊是一種機械自動化操作，使用“冷”工藝技術將鋁側板框架與熱成型高強度鋼板在B柱、車頂線和車窗位置連接起來。與老款車型相比，汽車工程師們在車門切口區域實現了高達36 毫米（1.4 英寸）的改進。這種進步使得人員進出汽車更加方便自如，同時還擴大了駕駛員在B柱周圍的視野范圍，這是保證安全駕駛的關鍵所在。

在“熱”連接工藝方面，奧迪公司已經開發出了對鋁材料進行連接的遠程激光焊接技術。精確定位的激光束在焊接邊緣大大降低了以往生產過程中存在的熱開裂風險。新工藝使得通過熱量輸入方式來精確控制激光束的穿透深度成為可能。

材料混合使用將得以體現

為解決溫室氣體排放問題，除了對傳統燃油汽車進行輕量化設計外，另一種解決方案就是發展新能源電動汽車。

在未來的20 年里，傳統的燃油汽車有可能會被全部淘汰。目前，英國、法國和挪威等國已先后宣布，將在未來的幾十年里全面禁止銷售以汽、柴油為燃料的汽車。中國作為目前全球最大的汽車生產消費國，盡管尚未明確燃油汽車退出的具體時間表，但目前也已開始制定逐步停止生產銷售燃油汽車的計劃。與此同時，全球許多汽車OEM廠商也提出了未來幾年各自的電動汽車發展計劃。因此，盡管目前全球電動汽車產量所占比例很小，但其發展速度很快。

由于電動汽車產量預計在未來10年中還將出現顯著增長，這將對未來汽車的白車身設計理念產生重要影響。對于純電動汽車和油電混合動力汽車來說，雖然其燃油消耗是零或很低，但對其進行車身輕量化依然十分必要，因為此舉可以減少由于采用大型鋰離子電池給整車重量增加帶來的影響。在電動汽車采取措施減重以后，汽車制造商可以通過減少電池組的尺寸來降低制造成本，或是增加電池組使用數量來延長車輛每次充電后的續航里程。對電動車而言，續航里程是非常關鍵的一項技術指標，這也是新能源汽車比傳統燃油車更加重視輕量化的原因。

對于搭載鋰離子電池的電動汽車而言，在目前技術條件下它們需要采用輕量化結構設計。比如，采用鋁合金車身結構設計能夠比傳統金屬結構車身具有更多優點。它們具有很好的導熱能力，以確保電池能夠保持正常工作溫度。因此，鋁合金車身結構實際上已經成為汽車動力系統的組成部分。

但由于受到成本等諸多因素的制約，目前采用全鋁車身的乘用車均為高端車型。在新能源汽車領域也是如此，僅有少數車企采用全鋁車身設計，如特斯拉的model S、捷豹I-PACE、蔚來ES8 和即將推出的蔚來ES6。除了輕量化因素外，新能源汽車制造商同樣需要考慮制造成本和安全問題。以特斯拉公司為例，為了降低制造成本，該公司在價格相對便宜的Model 3 電動汽車上采用了鋼鋁混合結構，來達到輕量化和低成本的目的。從目前判斷，這種車身材料混合結構設計在電動汽車領域也將成為一種發展趨勢。

結論

不管是新能源汽車還是傳統燃油汽車，輕量化的發展趨勢還將繼續下去。但輕量化不會強調只采用某一種材料，未來的趨勢必定是多種材料復合使用，比如說高強鋼、鋁合金、鎂合金以及碳纖維復合材料等多種材料的組合應用。

汽車制造業正在經歷著變革，傳統燃油車向電動汽車市場的過渡和轉變已成為加快汽車輕量化技術進步，產業規模不斷擴大的新的推動力。無論汽車驅動技術發生何種演變，鋁在汽車上的用量都將穩步增加，創新的合金產品設計將為鋁在汽車行業中開辟出新的應用空間。