當(dāng)前，能源與環(huán)境危機(jī)加速了世界各國對(duì)汽車油耗的嚴(yán)格控制，而電動(dòng)車的續(xù)航里程短板也需要補(bǔ)齊。為此，能夠降低油耗、提升續(xù)航里程的汽車輕量化設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為了當(dāng)前新車的重要標(biāo)簽。

    汽車輕量化就是盡可能降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性和減少燃料消耗。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，汽車整車質(zhì)量每降低100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升；而若汽車整車重量降低10%，燃油效率就可以提高6%-8%。

    在2017年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中也提到，汽車輕量化技術(shù)主要分為三個(gè)階段，具體如下：

    總體來看，目前汽車輕量化的主要實(shí)現(xiàn)方式有：一是，結(jié)構(gòu)及制造工藝的優(yōu)化，對(duì)車體的主要承力部件進(jìn)行加強(qiáng)、非主要承力不見進(jìn)行合理弱化，從而降低耗材用量；二是車身及零部件運(yùn)用輕量化新型材料，例如鋁合金、鎂合金、碳纖維等符合材料的運(yùn)用。

    以下，高工電動(dòng)車網(wǎng)將重點(diǎn)介紹目前主流的輕量化材料及其應(yīng)用情況：

    一、主流的輕量化材料

    據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，近幾年生產(chǎn)的一輛普通轎車，其主要材料的重量構(gòu)成比大致為：鋼鐵65%-70%、有色金屬10%-15%、非金屬材料20%左右。但是，隨著各類輕量化材料的應(yīng)用，傳統(tǒng)汽車材料占比將發(fā)生改變。

    具體來看，目前汽車輕量化主要運(yùn)用鋁合金、鎂合金、碳纖維復(fù)合材料、工程塑料等密度較小的材料。其中，在所有汽車輕量化材料中，碳纖維復(fù)合材料被認(rèn)為最輕質(zhì)的材料，減重效果遠(yuǎn)優(yōu)于高強(qiáng)度鋼、鋁合金等。

    需要特別提及的是，由于大部分輕量化新材料的成本普遍偏高，目前采用鋁合金、碳纖維等新材料作為車身主結(jié)構(gòu)的車型售價(jià)基本在40萬元以上，但鑄鋁件則較早就在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、懸架擺臂、副車架等底盤和動(dòng)力系統(tǒng)部件上使用，因所占車型開發(fā)成本比例較小，搭載車型級(jí)別不一。

    另外，不同的輕量化材料還要采用相應(yīng)的先進(jìn)成型工藝來完成，目前比較先進(jìn)的制造工藝主要有液壓成型技術(shù)、TRB技術(shù)、熱沖壓成形技術(shù)等。

    1、 高強(qiáng)度鋼板材料

    高強(qiáng)度鋼鐵材料由于其高強(qiáng)度、成本低的特點(diǎn)，相對(duì)于高分子材料和鎂、鋁合金材料而言，是車身材料最廣泛的應(yīng)用材料。同時(shí)，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用還對(duì)車體的彎曲剛性和扭轉(zhuǎn)剛性有顯著提升作用。

    開發(fā)進(jìn)展：國外鋼鐵企業(yè)已經(jīng)先后開展了UL SAB等項(xiàng)目計(jì)劃，開發(fā)了新一代應(yīng)用于汽車的高強(qiáng)度鋼材料，明顯提高了鋼鐵材料的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。目前，業(yè)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)了屈服強(qiáng)度大于210Mpa的高強(qiáng)度鋼和屈服強(qiáng)度大于550Mpa的超高強(qiáng)度鋼。

    技術(shù)難點(diǎn)：高強(qiáng)度鋼材存在焊接性能較差，制造工作存在一定難度。

    應(yīng)用情況：高強(qiáng)度鋼材一直是汽車的主要材料，有專家指出，在2025年前鋼材在汽車中的應(yīng)用比例仍然會(huì)達(dá)到50%以上。

    2、鋁合金

    鋁合金是目前采用最多的輕金屬材料。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)測(cè)算，鋁合金在汽車中的使用空間最高可達(dá)540kg，可使汽車減重40%。

    技術(shù)門檻：由于鋁合金材料具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱性、抗腐蝕性等，所以需要采用一些技術(shù)對(duì)其性能進(jìn)行改造，以提高鋁合金材料的強(qiáng)度。

    適用性：鋁合金是僅次于鋼材的汽車重要材料，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件、沖壓件、車廂、車身等。

    例如，福特F150采用鋁合金車身，車身重量減輕了40%以上，整備質(zhì)量降低了300kg；而奇瑞小螞蟻是國內(nèi)首款全鋁輕量化的微型電動(dòng)車，在輕量化的基礎(chǔ)上保證了安全性，整車質(zhì)量僅855kg。

    3、鎂合金

    鎂合金是常用金屬結(jié)構(gòu)材料最輕的一種，其密度約為鋁的2/3，鋼的1/4，同時(shí)具備比強(qiáng)度高、比彈性模量大、加工性好、減振型佳等優(yōu)點(diǎn)，可在鋁合金車輛的基礎(chǔ)上減輕15%-20%。不過，由于成本、技術(shù)等方面原因，目前鎂合金在汽車上的用量還不大。

    未來前景：相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國汽車平均用鎂量約為3kg，北美的汽車平均用鎂量也不到10 kg。但是根據(jù)美國汽車材料協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，隨著鎂合金技術(shù)的成熟和輕量化需求增加，到2020年，北美生產(chǎn)的汽車鎂合金用量將達(dá)到160kg。

    適應(yīng)范圍：目前在汽車輪轂、進(jìn)氣歧管、離合器、傳動(dòng)外殼、齒輪箱等方面應(yīng)用較多。

    4、碳纖維

    相對(duì)來說，碳纖維作為輕量化、安全性、可靠性等優(yōu)異性能的輕量化材料，其前景被業(yè)界廣泛看好。據(jù)了解，碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟性，其比重不到鋼的四分之一，抗拉強(qiáng)度一般在3500MPa以上，是鋼的7-9倍，抗拉彈性模量為2300-43000MPa也高于鋼。

    應(yīng)用難點(diǎn)：成本高，技術(shù)難度大。據(jù)了解，同樣是1公斤材料，鋼材需0.8-1美金，鋁材需2.4-2.6美金，而碳纖維則高達(dá)20-30美金，幾乎是鋼材的20倍。

    為了降低碳纖維的成本，目前業(yè)內(nèi)采用了改性瀝青、木質(zhì)素制備、聚烯烴制備、高強(qiáng)PANCF原絲、節(jié)能加工能源等方面技術(shù)來降低碳纖維生產(chǎn)成本，但大規(guī)模應(yīng)用還有很長的路要走。

    碳纖維供應(yīng)商：目前國際知名的碳纖維供應(yīng)商有SGL（與寶馬成立了碳纖維合資公司）、Toray（與奔馳成立碳纖維合資公司，并與豐田合作）、東麗（與戴姆勒、本田有合作）等等。

    碳纖維復(fù)合材料在汽車的應(yīng)用案例

    5、鈦合金

    鈦合金是一種新型結(jié)構(gòu)及功能材料，具有優(yōu)異的綜合性能，主要優(yōu)點(diǎn)是密度小、比強(qiáng)度高，而且在地球中資源存儲(chǔ)量僅次于鋁、鐵、鎂，居第四位。

    適用范圍：鈦合金主要應(yīng)用于汽車連桿、發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、鈦合金彈簧類等汽車零部件。去年上海車展上，來自意大利的設(shè)計(jì)公司Icona發(fā)布了Vulcano Titanium車型，新車整體車身由鈦打造，是全球首臺(tái)鈦合金超跑。新車售價(jià)為6680萬元。

    開發(fā)進(jìn)展：由于鈦合金加工條件復(fù)雜，且材料成本較高，目前在車身上門的應(yīng)用較為緩慢。為此，世界各國也在積極尋找新方法，選用較廉價(jià)的合金元素，采用熱加工和冷加工工藝，降低鈦合金的生產(chǎn)成本，達(dá)到汽車行業(yè)可接受的水平。

    6、聚碳酸酯（PC）

    聚碳酸酯（PC）具有透明、良好的抗沖擊、抗熱畸變的性能，而且耐候性好、硬度高，可應(yīng)用于各類汽車零部件。

    另外，聚碳酸酯以其特殊的特點(diǎn)制造出特別清晰的汽車車窗，可用于側(cè)窗和后窗、全景頂篷、乃至整個(gè)后艙口。2017年，科思創(chuàng)在去年德國k展上發(fā)布了一輛名為“K2016”的電動(dòng)概念車，車身部分外殼和腰線以上的車窗、車頂全部由聚碳酸酯材料制造。

    而從應(yīng)用范圍來看，歐美地區(qū)PC聚碳酸酯產(chǎn)品發(fā)展起步較早、技術(shù)較為成熟，目前在汽車上的應(yīng)用已超過15%，而亞太地區(qū)PC聚碳酸酯產(chǎn)品應(yīng)用較少，不足10%，其中中國應(yīng)用不達(dá)5%。

    PC聚碳酸酯在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用形式：PC/ABS塑料合金、TPU/PC塑料合金、PC/PMMA塑料合金、PC長纖維復(fù)合材料等等。

    7、玻璃纖維

    增強(qiáng)塑料玻璃纖維增強(qiáng)塑料是指用玻璃纖維做增強(qiáng)體，不飽和聚酯樹脂為基體的復(fù)合材料。

    據(jù)了解，玻璃纖維增強(qiáng)尼龍是在尼龍樹脂中加入一定量的玻璃纖維進(jìn)行增強(qiáng)，從而得到的一種塑料。而寶馬的i8跑車便采用了玻璃纖維增強(qiáng)尼龍為原材料，降低了兩個(gè)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音，帶來了更加愉快的駕駛體驗(yàn)，同時(shí)材料的輕質(zhì)和高強(qiáng)度特性還利于減少燃料消耗和CO2 排放。

    二、部分車企的布局情況

    1、寶馬

    寶馬汽車是在碳纖維領(lǐng)域走在前列的廠商，不僅投入1億美元建設(shè)了碳纖維工廠（首個(gè)汽車制造商建設(shè)碳纖維工廠），還收購了全球知名的碳纖維生產(chǎn)商德國西格里（SGL）16%的股份，并與SGL成立了碳纖維合資公司。

    2、通用汽車

    據(jù)了解，通用正竭力將輕量化材料與創(chuàng)新制造工藝相結(jié)合，并將其應(yīng)用到旗下新款乘用車及卡車中。其中，鋁合金是通用首選的輕量化材料，并為此開發(fā)了高強(qiáng)度鋼與輕量化合金的搭配使用。此外，通用還在車輛的制造過程中使用了鎂，并致力于打造碳纖維車輪項(xiàng)目。

    3、北汽集團(tuán)

    北汽集團(tuán)作為國內(nèi)非常重視輕量化技術(shù)的車企之一，北汽集團(tuán)先后建立了國家級(jí)汽車輕量化重點(diǎn)試驗(yàn)室、汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，并在碳纖維材料、鋁材料、高強(qiáng)鋼輕量化以及結(jié)構(gòu)輕量化領(lǐng)域不斷取得進(jìn)展。

    其中，針對(duì)鎂合金方面，北汽集團(tuán)從2011年開始，就相繼聯(lián)合山西聯(lián)合鎂業(yè)、寶鋼、華盛榮、鼎鑫鎂業(yè)、云海金屬等諸多企業(yè)達(dá)成合作協(xié)議。

    2017年12月，北汽新能源還與世界的輕量化技術(shù)團(tuán)隊(duì)合資共建北汽新能源德累斯頓輕量化技術(shù)中心。

    4、東風(fēng)汽車

    今年年初，東風(fēng)汽車公司通用鑄鍛廠、湖北汽車工業(yè)學(xué)院、沈陽鑄造研究所、廣東峰華卓立科技有限公司4家單位簽署合作協(xié)議，四方將利用自身優(yōu)勢(shì)，共建汽車輕量化鋁合金低壓鑄造研究中心，共同在汽車用鑄造鋁合金材料、鋁合金鑄件輕量化設(shè)計(jì)、鋁合金鑄造技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用等方面開展全方位合作。

    5、吉利汽車

    近年來，吉利汽車重點(diǎn)開展了汽車輕量化專項(xiàng)研究，從運(yùn)用輕質(zhì)新材料、新工藝和實(shí)施結(jié)構(gòu)輕量化等著手，已經(jīng)把一些輕量化技術(shù)運(yùn)用到新車開發(fā)中，包括高強(qiáng)度鋼板、激光拼焊技術(shù)等，以及鎂鋁合金、鋁合金等材料的運(yùn)用。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：王元

《中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414