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發(fa)布時間：2025-12-13 14:05:57 浏覽(lan)次數：
摘(zhai)要：節能減排(pái)是永遠的課(ke)題，汽車輕量(liang)化是節能減(jiǎn)排的重要舉(ju)措之一。汽車(che)輕量化不僅(jǐn)能有效降低(di)汽車油耗，還(hái)可以延長汽(qi)車使用壽命(mìng)，對汽車工業(yè)的發展和人(rén)們的生🚶活都(dou)具有重要意(yi)義。針對汽車(chē)輕量化材料(liao)的應用及現(xian)狀進
1 前言
“國(guó)六”排放标準(zhun)即将正式實(shí)施，汽車輕量(liàng)化的發展越(yue)來越🔱緊🐉迫，傳(chuán)統鋼材已經(jīng)不能滿足汽(qì)車的質量㊙️要(yao)求，各種輕量(liàng)化材料在汽(qi)車中所占比(bi)例逐漸增長(zhang)。随着現代汽(qi)車對強度和(hé)輕量化要求(qiú)不斷提高，輕(qing)量化材料的(de)研發♋和選用(yòng)顯得至關重(zhong)要，本文通過(guò)分析輕量🧡化(hua)材料的應用(yòng)途徑及現狀(zhuang)，闡述了輕量(liang)化材料發展(zhan)所面臨的挑(tiāo)戰，并提出了(le)解決方案。
2 汽(qì)車輕量化的(de)意義
有研究(jiū)驗證了，汽車(che)每減輕0.1t，最多(duo)可節約燃油(yóu)0.6L/100km，并且可減少(shǎo)🈲CO2排放11g/100km[1]，大量的(de)研究都證明(ming)汽車輕量化(hua)對于降低燃(rán)油汽車油耗(hào)、滿足☔節能環(huán)保要求有很(hen)重要♊的作用(yòng)。
徐建全等[2]對(dui)純電動汽車(che)的輕量化效(xiào)果進行分析(xī)，證明了輕量(liàng)化不僅可以(yǐ)節約能源，還(hái)可以在電池(chí)容量相同的(de)條件下增加(jia)汽車的續航(háng)裏程，延長電(dian)池壽命。由此(cǐ)可見，電動汽(qi)車的輕量化(hua)🌂在提高電動(dong)汽車性能方(fang)面也有很重(zhòng)要的作用。此(cǐ)外，減少汽車(che)的質量還可(ke)以減輕懸挂(gua)系統的負擔(dān)，減小汽車慣(guan)性[3]，對車輛起(qǐ)到🛀🏻保護作用(yong)。
如圖(tú)1所示，福特的(de)新輕型汽車(chē)通過使用碳(tàn)纖維油底殼(ke)、鋁制連杆、尼(ní)龍複合材料(liao)儀表盤、聚碳(tàn)酸酯後💃🏻車窗(chuāng)☀️、碳纖❌維車輪(lún)毂等，使車重(zhong)減少了25%。下面(mian)将對目前常(cháng)用的輕量化(hua)材料進行介(jie)紹。
圖1 汽車輕(qīng)量化的途徑(jing)
3.1 有色合金材(cái)料
3.1.1 鋁合金的(de)應用
鋁合金(jin)早在1899年便在(zai)汽車中應用(yòng)，到了20世紀90年(nián)代以讴歌NSX爲(wèi)首的🐇超級跑(pao)車在汽車制(zhi)造中使用鋁(lü)。全球🎯第一輛(liang)具有全鋁車(che)☀️身的汽車是(shi)奧迪于1994年開(kāi)發的，如圖2所(suo)示，其AFS白㊙️車身(shen)所用材料幾(ji)乎全是鋁材(cai)，比上一代白(bái)車身減重近(jin)35kg。
圖2 Audi A8 D3車身
2000年奧(ao)迪公司推出(chū)的奧迪A2，首次(cì)實現了全鋁(lü)車身技術🤞在(zai)微型轎車上(shang)的應用，其ASF車(chē)身是A8之後的(de)第二代鋁制(zhì)空間車架，具(jù)有質量輕、強(qiáng)度大的優點(dian)。此外還有特(tè)斯拉、路虎、捷(jie)豹等國外品(pǐn)📧牌在汽車中(zhong)大量使用鋁(lǚ)合金🌍，獲得了(le)良好的減重(zhong)效果，如2019年上(shàng)市的新💞款特(tè)斯拉Model S通過大(da)量應用鋁合(hé)金，減輕了整(zhěng)車質量❌，使其(qi)最長續航裏(lǐ)程可達660km。我國(guó)也逐漸将全(quán)鋁💘車身應用(yong)于新能源汽(qi)車的制造，2016年(nián)南甯🌈市有18輛(liàng)全鋁車身新(xīn)能源公交車(che)投入使用。除(chú)全鋁車身外(wai)，用鋁導⛱️線大(da)規模代替銅(tóng)導線，可将導(dao)⭐線質量降低(di)60%以上，并且減(jian)少成本40%～50%[4]。鋁具(ju)有良好的延(yán)展性，使其能(neng)有效緩🐉解汽(qì)車碰撞時帶(dài)來的沖擊🈲，所(suo)以鋁合金保(bǎo)險杠的耐撞(zhuang)性優于鋼制(zhi)保險杠。
據相(xiang)關統計表明(ming)[5]，全球平均用(yong)鋁量逐年攀(pan)升，預計到2050年(nián)🔱平☔均汽車用(yòng)鋁量将達到(dào)240kg/輛，目前中國(guó)汽車平均用(yong)鋁量約爲🈲153kg/輛(liang)，是🔴2050年平均用(yong)鋁的64%，不論是(shi)與發達國家(jiā)平均用鋁水(shui)平還是我國(guo)長期的發展(zhǎn)目标都有很(hen)大差💞距，因此(ci)，鋁✉️合金在汽(qi)車上的使用(yong)仍有很⚽大的(de)提升空間。
3.1.2 鎂(mei)合金的應用(yong)
鎂合金在汽(qi)車上的應用(yòng)最早可追溯(su)到1930年的德國(guo)，其用量僅📞有(you)73.8kg。1938年大衆生産(chǎn)的“大衆1型”轎(jiao)車使用了壓(yā)⛷️鑄鎂合金制(zhi)造傳動系統(tong)的零部件[6]。鎂(měi)合金汽車座(zuò)👈椅也是較早(zǎo)的😘鎂合金汽(qì)車零部件之(zhī)✊一，鎂合金的(de)💃座椅靠背和(hé)座框相比于(yu)鋼制座椅可(ke)以分别減重(zhong)47.7%和44.2%。在乘用車(che)💋中，福特探險(xiǎn)者的第三排(pai)座椅靠背就(jiu)應用了壓鑄(zhù)鎂合金零部(bù)件。除了座椅(yǐ)骨架之外，座(zuò)椅的支撐支(zhi)架也可以使(shǐ)用鎂合金⛱️，可(kě)以在滿足座(zuo)椅高度需求(qiú)的同時🔴減重(zhong)，座椅舒适性(xìng)也🔴可以相應(yīng)提升。
得益于(yú)其良好的電(dian)磁屏蔽性能(neng)和高比強度(dù)、高阻尼能力(lì)，鎂合金在很(hen)多領域都體(tǐ)現出比鋁和(hé)鋼更✔️好的使(shi)用性能，在汽(qi)車領域的應(yīng)用也越來越(yuè)廣泛，如方向(xiàng)盤、汽缸👈蓋、發(fa)動機缸體、門(men)框、進氣歧管(guǎn)以及各零部(bu)件安裝所需(xu)的螺釘，都可(ke)以使用鎂合(he)金進行制造(zào)。
現在，我國汽(qì)車的用鎂量(liang)爲1.5kg/輛，而北美(mei)爲3.8kg/輛，日本爲(wei)9.3kg/輛，雖然與這(zhe)兩個國家有(yǒu)一定差距，但(dan)根據《節能與(yǔ)新能源汽💚車(che)技術路線圖(tú)》，到2025年我國每(měi)輛車使用鎂(měi)合金要達到(dao)25kg，并逐步縮💞小(xiao)與發達國家(jia)的差距。
雖然(ran)鎂具有很多(duo)優點，但其價(jià)格是鋁的2～3倍(bèi)，鋼鐵的🌐4倍左(zuǒ)右🐉，比較🔆昂貴(guì)，随着技術的(de)發展，低成本(běn)鎂合金會逐(zhu)漸研發使🤩用(yong)[7]。此外，随着鎂(mei)合金回收再(zài)利用技術的(de)發🔞展以及環(huán)保要求的提(ti)高，鎂在汽車(che)領域的發展(zhǎn)形勢值得被(bei)特殊關注。
3.1.3 钛(tai)合金的應用(yòng)
钛有三大優(you)點，分别是“輕(qīng)”、“高強”、“不鏽”。作(zuò)爲輕金屬材(cai)料在汽車行(háng)業受到很多(duo)研究者的關(guān)注[8]。
钛及钛(tai)合金在排氣(qì)系統中比較(jiao)常用，用钛制(zhì)消音器代🈚替(tì)不鏽鋼消音(yīn)器可以減重(zhong)40%左右，雪佛蘭(lán)克爾維特🚶♀️Z06成(chéng)功實現此替(tì)代，保證在系(xi)統強度不變(bian)的情況下，使(shi)質量更輕，車(chē)速更快且節(jie)約燃料[7]。還有(you)研究表明，若(ruò)将某1500kg的中型(xíng)轎車中所有(yǒu)傳統零件替(ti)換成🏃♀️钛合金(jīn)零件，整車質(zhì)量将減少500kg左(zuo)右，這也就可(ke)以大🔞幅降低(dī)油耗⛱️。
目前我(wǒ)國已擁有生(sheng)産钛及钛合(hé)金的能力，但(dan)由于🔞钛合金(jīn)價格高，對工(gong)藝參數敏感(gan)，所以钛合金(jīn)在汽車零部(bù)件🔆中的應用(yong)一直受到限(xiàn)制。钛合金流(liú)動性差，鑄件(jian)中易形成鑄(zhù)造缺陷，因此(ci)對钛合金鑄(zhu)造、加工所需(xū)設備和條件(jian)的要求較高(gāo)，這是钛合金(jin)零部🐪件不受(shòu)汽車廠商青(qing)睐的重要原(yuan)因之一。随着(zhe)我國科技水(shui)平的迅速提(ti)升，钛及钛合(he)金的研發飽(bǎo)😘受關注，必使(shǐ)钛合金朝着(zhe)低成本，高質(zhì)量發展。而且(qiě)柳寶♍元[9]通過(guò)實驗證明，钛(tài)合金粉末的(de)力學性能與(yǔ)粉末循環次(cì)數沒有任何(he)明顯的關系(xi)，從側面佐證(zhèng)了钛⚽合金材(cai)料的回收利(li)用是♍可以實(shi)現的，并且循(xun)環利用次數(shù)不會👅顯著影(ying)響钛合☎️金材(cái)料的性能。未(wei)來，钛及钛合(he)金在汽車領(lǐng)域的廣泛利(lì)用值得期待(dai)。
3.2 高強度鋼的(de)應用
國際鋼(gāng)鐵協會汽車(chē)鋼聯盟在1994年(nián)開展的ULSAB計劃(huà)，1997年開展的❌ULSAC、ULSAS計(jì)劃和1998年的ULSAB-AVC計(ji)劃，都實現了(le)用先進高強(qiáng)度鋼代替普(pǔ)通低碳😄鋼，在(zai)🌈不增加成本(běn)的基礎上爲(wei)車身㊙️減重。
在(zai)我國，2001年奇瑞(ruì)汽車公司與(yu)寶鋼的合作(zuò)，實現了在試(shi)制樣☁️車上使(shǐ)用46%的高強度(du)鋼闆，對減重(zhong)起到了很大(da)的作用。2003年，重(zhong)汽将高強度(dù)鋼廣泛應用(yong)于車架的輕(qīng)量化發展，成(chéng)功研制了高(gao)強度鋼單層(céng)梁車架，并實(shi)現量産。
高強(qiáng)度鋼由于其(qi)優秀的強度(dù)非常适合用(yòng)于汽車車身(shēn)結構的制造(zao)。圖3展示了高(gao)強度鋼在車(chē)身上的應用(yong)細節，如汽車(che)的被動安全(quán)系統部件，包(bao)括側門防撞(zhuang)鋼🈲梁、安全杆(gan)和保險杠系(xi)㊙️統可以使用(yòng)超高強度鋼(gang)，而車頂較少(shao)承受撞擊，則(zé)可以使用高(gāo)強度鋼👣。
圖3 新(xin)一代高強度(du)鋼在車身上(shang)的應用[3]
高強(qiang)度鋼作爲目(mu)前汽車的主(zhu)要輕量化材(cái)料，其強塑積(ji)（強度與塑性(xìng)的乘積）不能(néng)完美配合，是(shi)所面臨的一(yi)大難🏃🏻題，強度(du)越高，塑韌性(xìng)越差，當抗拉(lā)強度超過1400MPa時(shi)，高👌強度鋼極(jí)易發生疲勞(lao)破壞[10]。2010年，我國(guó)成功研發第(di)3代先進汽車(chē)用鋼，主要包(bāo)括Q&P鋼、中Mn-TRIP鋼🌈以(yǐ)及無碳化物(wu)貝氏體鋼，相(xiàng)比于前兩代(dài)汽車鋼，第3代(dài)汽車鋼具有(you)高強度、輕量(liang)化、低成本的(de)優點，而且在(zai)塑性和🔱韌性(xing)方面均有一(yī)定的提升[11]，從(cóng)而受🌏到諸多(duō)關注，目前我(wǒ)對國第3代汽(qì)車用高強度(dù)鋼的研究處(chu)于世界前列(liè)。
高強度鋼與(yǔ)鎂合金、钛合(he)金應用中高(gao)成本的困擾(rǎo)不同，高強度(du)鋼面臨的問(wen)題是具有高(gao)強塑積的汽(qì)車鋼闆新材(cái)料、新工藝的(de)研發，以及在(zài)高強鋼加工(gong)過程中的問(wen)題，如回彈。回(hui)彈量随初始(shi)屈服強度的(de)🈲增大而增大(dà)，這将影🐉響高(gao)強度鋼的成(chéng)形質量，增加(jia)加工難度。爲(wèi)克服回彈現(xian)象，保證汽車(chē)車身及零部(bu)件形狀精度(du)，還需要不斷(duàn)進行回彈控(kòng)制技術的研(yan)究[12]。
3.3 塑料和複(fú)合材料的應(yīng)用
汽車塑料(liào)化是當今汽(qì)車制造的一(yī)大趨勢。車用(yong)塑料質量輕(qīng)、強度高，隻有(yǒu)普通鋼材重(zhong)量的15%～20%，比木材(cái)更輕，對汽車(chē)輕量化有☁️極(ji)大的促進作(zuo)用。
20世紀70年代(dai)，塑料使用量(liàng)占汽車總質(zhi)量的比例爲(wèi)2%～3%，到20世紀🌈90年代(dai)提升至7%～9%。2007年，一(yi)款由法國研(yán)發人員研發(fā)的名爲💯“歡樂(le)敞篷”的全塑(sù)料汽車在英(yīng)國上市，整車(che)隻有370kg，僅爲普(pu)通汽🤟車的三(san)分之一。不久(jiu)前日本的旭(xù)化♍成公司新(xin)開發了一種(zhǒng)聚酰胺泡沫(mò)塑料，這種泡(pào)沫塑料具有(yǒu)極✔️好的耐熱(re)性💰、耐油性、剛(gāng)性和降噪質(zhì)量，在汽車的(de)内飾、車頂、發(fā)動機、座椅和(hé)地闆結構中(zhong)都🌂可以應用(yòng)，在減重降噪(zào)方面有很好(hao)🏃♂️的效果。
複合(hé)材料具有比(bǐ)強度和比模(mo)量高、密度小(xiao)，質量輕🌈、強🚶度(dù)高、安㊙️全等級(jí)高等優點，是(shì)汽車輕量化(hua)的理想材料(liao)。碳纖維複合(hé)材料可以使(shǐ)車身、底盤減(jiǎn)重50%以上。用碳(tan)纖維複合材(cai)料所制的闆(pan)簧與傳統材(cái)料相比減重(zhong)76%，使用碳纖維(wéi)發動機罩可(kě)使發動機減(jiǎn)重6kg以上[13]。以寶(bao)馬i8車身🌈結構(gou)爲例，它在車(chē)身底盤（Drive）采用(yòng)的是金屬結(jié)構，但在乘🛀員(yuán)艙（Life）使用了CFRP碳(tan)纖維增強複(fú)合材料，兼顧(gù)了強度與輕(qīng)量化。
目前碳(tan)纖維複合材(cai)料的應用面(miàn)臨兩大障礙(ài)，其一是制造(zào)成☂️本，例如以(yǐ)碳纖維爲框(kuàng)架的座椅成(cheng)本是鋼材🌈框(kuàng)架的6倍之高(gao)，使其🔆無法大(dà)量應用于汽(qì)車；其二是時(shi)間成本，用鋼(gāng)隻🚩需1分鍾💚的(de)就能制造完(wan)成的零件用(yong)碳纖維需要(yào)🏃🏻♂️5分鍾，若進行(hang)大量生産耗(hào)費的時間則(ze)會成倍增長(zhang)，這無🤟疑又增(zēng)加了碳纖維(wei)複合材料的(de)應用難度。
從(cóng)2017年發布的《節(jiē)能與新能源(yuán)汽車技術路(lu)線圖》的要求(qiu)來看，到2030年，碳(tan)纖維的使用(yòng)量要達到汽(qì)車總重的5%，并(bing)且碳纖維的(de)成本也需🚶要(yao)大幅度降低(di)。
3.4 精細陶瓷的(de)應用
精細陶(táo)瓷也是當前(qián)很重要的一(yi)大類材料。它(tā)具有高強度(dù)🚶、高硬度、耐腐(fu)蝕等特點，以(yi)及在磁、電、光(guang)、聲各方面的(de)特殊功🔞能，目(mù)前應用于汽(qì)車上多種零(ling)部件，如陶瓷(cí)💰軸承、陶瓷發(fa)動機、陶瓷淨(jing)化器載體、陶(táo)瓷刹車片和(he)陶瓷繼電器(qì)等[14]。
4 結論
汽車(che)輕量化的材(cai)料随着科技(jì)的進步呈現(xian)出多元化🔆的(de)發♈展趨勢，在(zai)質量、強度和(hé)剛度要求不(bú)斷提高的前(qian)提下汽車輕(qing)量化的道路(lù)充滿機遇和(he)挑戰。輕✨量化(hua)材🔞料在汽👉車(che)上的使用會(hui)趨向于通過(guo)多種材料的(de)組合來彌補(bǔ)使用單一材(cai)料帶來的缺(que)陷。改善🆚材料(liào)的性能，降低(dī)材料的成本(ben)以及提高材(cai)料的回收利(li)用率必将爲(wei)各種汽車輕(qīng)量化材料的(de)發展提✍️供無(wú)限可能。
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