汽车轻量化材料种类及未来发展走势

　　摘要：汽车轻量化可以有效减轻汽车重量，是实现汽车节能减排的主要方向之一。汽车轻量化主要采用轻量化替代材料、改进车身部件制造工艺和优化车身结构设计三种方法。本文主要从三种方法之一的轻量化替代材料着手，通过对五种替代材料的分类介绍，对应用趋势做出了简要分析。

　　汽车工业的发展目前面临着资源、安全和环保三大问题。众多发达国家已相继制定了如油耗、排放法规等对策和措施积极应对，而在汽车工业界的应对中，汽车轻量化是已被验证是应对以上三大问题的有效途径之一。

　　汽车质量与油耗和排放下降的比例为5:4:2

　　汽车行驶所需动力和动力传动系统与汽车质量成正相关，减轻质量后，汽车可在较低的牵引动力下表现同等的性能;汽车行驶时燃油的消耗中75%与整车质量有关，降低汽车质量可有效降低油耗及排放量，质量每下降10%，油耗下降8%(图1)，排放下降4%。因此，从汽车工业发展及社会环境要求角度来看，降低汽车质量、提高燃油经济性和环保性能具有重要意义。

　　图1 整车质量减少与百公里油耗的关系

　　(资料来源：《新能源汽车轻量化材料》)

　　汽车轻量化的五类替代材料应用涉及车身、结构件及零件

　　(1)高强度钢板的抗拉强度和屈服强度性能高，主要应用于车辆关键结构件中。其具有高抗拉强度和高屈服强度的特性，可以在打薄钢板、减少车身重量的基础上保持性能不减，近年来已越来越多的应用于汽车结构件中，按其特性可分为低强度刚、高强度钢和超高强度刚。该类材料主要应用在AB柱、地板、门槛等车辆的关键结构件中，如宝马在部分车型的中通道、地板、B柱、车门防撞杆应用了高强度钢;凯迪拉克在部分车型的AB柱内板、地板中通道、横梁等关键部件应用了先进的高强钢，使钢制下车体结构相较原铝制车体减重了6kg。

　　表1 三类强度刚的抗拉强度和屈服强度参数分类

　　(数据来源：五度易链行业研究中心)

　　(2)铝合金耐腐蚀、耐磨性强，应用由内部零件罩体向全铝车身过渡。其在密度小、强度及刚度高、弹性和抗冲击性能良好的基础上，还具有优异的耐腐蚀性和耐磨性，是汽车轻量化的理想材料。铝合金初期应用于汽车发动机罩和行李箱盖，现已发展到全铝车身的应用，其中，在汽车上的应用材料为铝合金和铝复合材料，目前国外已可达车身80%以上的铝合金和铝复合材料应用。在汽车中应用的铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金两类，具体的细分应用见表2。目前，业内60%以上的汽车用铝合金材料为再生铝，回收1t铝合金要比加工制造 1t少耗能95%。

　　表2 铝合金车用应用分类

　　(资料来源：五度易链行业研究中心)

　　(3)镁合金抗弯强度和隔音性能好，车体结构件和零件中均有应用。在弯曲刚度不变的条件下，采用镁代替钢可减重 61%，而在弯曲强度不变的条件下，镁代替钢可减重74%，经验证，每使用1 kg镁，可使轿车寿命期减少30 kg尾气排放，且镁合金还均有隔音的性能，可以提高汽车的舒适度。目前欧洲研发并使用的镁合金车用零部件超过60种，单车镁合金用量 9.3～20.3公斤;北美的镁合金汽车零部件超过100种，用量5.8公斤～26.3 公斤;而国内研发并使用的镁合金车用零件仅20余种， 总体技术水平还有较大提升空间，目前商业应用的平均单车中用镁量不足1kg。

　　表3 镁合金车用部件分类

　　(资料来源：五度易链行业研究中心)

　　(4)片状模塑料可根据部件需要调整力学及耐腐蚀高温性能，适用于部分车身、承力结构件和耐高温腐蚀零件。该种材料的商业化应用目前主要集中在车体后尾门，其他的应用多为试验阶段。如雷诺汽车的后尾门相比原钢制后尾门减重10%，且注塑、组装工艺简单，生产成本大为降低。

　　(5)车用碳纤维复合材料性能强但成本高，目前多用于赛车等领域。该材料是由2种及以上不同性质的材料复合压制而成，其综合性能在强于原有材料性能的总和，且可满足不同的车用部件要求。其中，碳纤维的复合材料(CFRP)质量轻、强度高(5倍钢强度)、耐高温和耐腐蚀性能好，是非常理想的汽车轻量化材料。该类材料最初制造成本较高，主要在赛车等车型有小批量应用，随着制造成本的下降，已逐渐向民用领域渗透。

　　未来结合五类材料特点，建立轻量化替代材料的最优配置

　　高强度钢在汽车轻量化领域的研究开展较早，是汽车轻量化的基础，铝合金在近年来发展较快，是当前汽车轻量化的重要材料，而镁合金、片状模塑料和复合材料在轻量化领域应用较晚，是该领域的新型材料。在今后汽车轻量化的研究应用中，应结合五类轻量化材料的特点，发挥相应优势，建立汽车轻量化零部件的最优材料配置。

　　结语

　　汽车轻量化是汽车产业发展的主要方向之一，能有效减轻车身重量，是目前实现汽车节能减排最直接、有效的手段。汽车质量与油耗和排放下降成正相关，比例为5:4:2;汽车轻量化的五类替代材料应用涉及车身、结构件及零件，其中高强度钢是汽车轻量化的基础，铝合金是当前汽车轻量化的重要材料，而镁合金、片状模塑料和复合材料是该领域的新型材料;未来应结合五类材料特点，建立轻量化替代材料的最优配置