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能給汽車減負(fù)的輕量化材料

2019-02-28 12:07:13 作者： Matplus 來源：材料十分享至：

當(dāng)汽車油耗壓力步步緊逼，當(dāng)續(xù)航里程短板亟待補(bǔ)齊，能夠緩解這兩大壓力的輕量化已逐漸成為新車的重要標(biāo)簽，而比起結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化或是制造工藝提升，車企及零部件企業(yè)的側(cè)重點(diǎn)似乎更多地放在輕質(zhì)材料的開發(fā)及應(yīng)用方面。從目前來看，隨著輕量化概念的持續(xù)升溫，傳統(tǒng)材料未來將面臨大范圍的更新及替換，而輕質(zhì)材料之間也將掀起新一番的激烈競爭。

1.高強(qiáng)度鋼

鋼材一直是最主要的汽車材料，即使在輕量化要求加大的今天，這一格局也仍未發(fā)生變化。預(yù)計(jì)到2025年，鋼材在汽車中的應(yīng)用比例仍然會達(dá)到在50%以上。當(dāng)然，這里的鋼材更多指的是高強(qiáng)度鋼，它是在普通鋼材的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升性能，能夠達(dá)到減重以及提高碰撞安全性的效果，在汽車底盤橫梁加強(qiáng)板、懸架支架、發(fā)動機(jī)支架等等部件廣泛應(yīng)用。盡管其成本相比普通鋼材有所增加，但是相較于其它輕質(zhì)材料而言技術(shù)成熟，成本較低，有著明顯的優(yōu)勢，是汽車制造行業(yè)未來五年甚至更長時間內(nèi)的發(fā)展重點(diǎn)。

一款車的安全大致可以分為兩類，主動安全和被動安全，其中主動安全被各種高科技配置代替，諸如各種雷達(dá)和攝像頭等其他感應(yīng)裝置，可以通過收集數(shù)據(jù)來方便車主操控汽車，而被動安全中，車身強(qiáng)度就是個非常重要的指標(biāo)，按照力學(xué)上的劃分，鋼材有抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，簡單來說屈服強(qiáng)度高的材料，可以承受更大的破壞，具有更高的安全性。

（屈服強(qiáng)度金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的屈服極限，也就是抵抗微量塑性變形的應(yīng)力。對于無明顯屈服現(xiàn)象出現(xiàn)的金屬材料，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力值作為其屈服極限，稱為條件屈服極限或屈服強(qiáng)度。）鋼材的強(qiáng)度提升之后，可以在保證車身安全的情況下，采用更強(qiáng)更少的材料，大幅度減少車身配重，實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化設(shè)計(jì)。大量采用高強(qiáng)度鋼材料，能夠保證甚至提高車輛的安全性，還可以達(dá)到節(jié)能環(huán)保更加經(jīng)濟(jì)的目的。

應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的高強(qiáng)度鋼根據(jù)強(qiáng)化機(jī)理的不同，可分為高強(qiáng)度鋼（High StrengthSteel；HSS）和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（（Advanced High Strength Steel；AHSS），先進(jìn)高強(qiáng)度鋼延塑性更好，在滿足工藝性能的同時也具有更高的輕量化潛力。

高強(qiáng)度鋼屈服強(qiáng)度情況

目前，國際主流車型的高強(qiáng)度鋼占車身的比例已達(dá)70%以上，其中自主品牌中高強(qiáng)鋼的應(yīng)用已達(dá)45%。據(jù)了解，中國是高強(qiáng)度鋼應(yīng)用最普遍的國家，車身使用比例接近50%,預(yù)計(jì)未來可高達(dá)60-65%,但是超高強(qiáng)度和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼材大幅落后，目前使用比例僅有5%,預(yù)計(jì)未來將有3倍提升空間。

高強(qiáng)度鋼能夠大大增加車身各個零件的抗變形、抗扭曲能力，提高能量吸收能力和擴(kuò)大彈性應(yīng)變性。一般來說，高強(qiáng)度鋼使用率越高，汽車車身剛性越好，但是，高強(qiáng)度鋼在材料加工方面有著很多問題，在可焊接性方面比低碳鋼要差很多，因此，高強(qiáng)度鋼的使用并不僅僅是成本問題！還有加工工藝和技術(shù)的問題。

2.合金材料

可持續(xù)發(fā)展是環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)重要舉措，同時也是人類終將走向的未來。在環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的今天，來自汽車的污染顯得尤為突出，不斷升級的排放法規(guī)也“逼迫”各個車企絞盡腦汁鉆研如何節(jié)能減排。逐步拋棄燃油車選擇新能源是國家大力倡導(dǎo)的新趨勢，在此過程中，汽車的輕量化尤為重要。歐洲鋁業(yè)協(xié)會研究顯示汽車每減重 100 公斤，二氧化碳排放可減少 1公斤。

所謂的輕量化并不是為了減少車重而“不擇手段”，它的意義是在保障乘員安全、不改變車身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能減少車重，而我們常見的合金材料的使用就是很好的例子。汽車制造中常用的合金有鋁合金和鎂合金。

奧迪A8全鋁車身

鋁合金

僅次于鋼材的汽車用金屬材料，主要應(yīng)用于一些結(jié)構(gòu)件、沖壓件，還可用于車廂、車身等。鋁的密度僅有鋼鐵的 1/3，導(dǎo)熱性卻比鐵高出3倍有余。最值得一提的是，鋁代鋼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)二次減重，效果可直接減重50%-100%。相關(guān)研究表明，汽車使用1 kg鋁可替代自重2.25 kg鋼材，減重比例高達(dá)125%，整個使用壽命周期內(nèi)可減少廢氣排放20 kg。

汽車用鋁優(yōu)勢

由此可見，鋁合金憑借其高強(qiáng)度、可循環(huán)性、耐腐蝕、密度低等優(yōu)質(zhì)性能成為汽車減重首選材料，鋁材在汽車上的使用量將快速增長。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2017年中國汽車平均用鋁量為105Kg/輛，明顯低于歐美140~150Kg/輛的現(xiàn)有水平，而且歐美單車用鋁量還將進(jìn)一步提升至300Kg/輛。如果按照150Kg/輛計(jì)算，預(yù)期 2021 年國內(nèi)汽車用鋁估計(jì)達(dá)到521萬噸。而根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)測算，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%。由此看來，鋁合金在汽車中的應(yīng)用還有很大空間。

鎂合金

鎂是常用金屬結(jié)構(gòu)材料最輕的一種，密度只有1.74g/cm3，是鋁的2/3，鋼的2/9。采用鎂合金能減輕整車重量，可在鋁輕量的基礎(chǔ)上再減輕15%～20%。鎂合金的比強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度與密度之比值）遠(yuǎn)高于鋁和鋼，鎂合金的剛度隨厚度的增加而成立方比增加，對用鎂合金制造剛性好的整體構(gòu)件十分有利。鎂合金具有良好的阻尼系數(shù)，減振量大于鋁合金和鑄鐵，用于殼體可以降低噪聲，用于座椅、輪轂可以減少振動，提高了汽車的安全性和舒適性。

目前，鎂合金在汽車輪轂、進(jìn)氣歧管、離合器、傳動外殼、齒輪箱等方面應(yīng)用較多，且有不斷增加的趨勢。不過，由于成本及相關(guān)技術(shù)方面的原因，目前汽車鎂合金總的用量還不大。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。

我國汽車用鎂合金產(chǎn)量占全球的21.9%，但消費(fèi)量僅占全球的16.0%。我國鎂合金還有一些技術(shù)難題亟待突破，包括較低的耐蝕性能、較低的疲勞性能、較低的蠕變性能等。

純電動鎂合金公交車

全球鎂合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)迎來發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期：

一方面，全球節(jié)能減排政策不斷趨嚴(yán)，推動汽車輕量化，而鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料；另一方面，汽車產(chǎn)業(yè)不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，智能汽車、新能源汽車獲得市場青睞，發(fā)展前景較好，而這些領(lǐng)域?qū)ζ囕p量化的需求更為迫切。

此外，汽車用鎂合金的技術(shù)不斷突破，應(yīng)用范圍已經(jīng)逐漸能夠與鋁合金相媲美，是鋁合金良好的替代材料。在良好的戰(zhàn)略機(jī)遇下，鎂合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將迅速增加，發(fā)展前景廣闊。

2011-2016年全球汽車用鎂合金產(chǎn)銷量分析

3. 碳纖維復(fù)合材料

如果說高強(qiáng)度鋼是通過增加強(qiáng)度而降低鋼材使用量，鎂鋁合金是通過降低材料密度來替換原有鋼材，從而達(dá)到輕量化的目標(biāo)。那么下面說到的材料，既降低了材料密度，強(qiáng)度也有大幅度提升。

碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用將成未來車身結(jié)構(gòu)輕量化的主要途徑。

碳纖維復(fù)合材料之前主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，比如，波音787表面的90%都是碳纖維復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的50%。伴隨航空技術(shù)向乘用車領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，碳纖維復(fù)合材料在很多特性上超越傳統(tǒng)材料，將成為汽車車身機(jī)構(gòu)輕量化中材料的主要方向。無論是車企還是消費(fèi)者，首先需要考慮問題就是安全。汽車車身輕，在碰撞時攜帶的動能就小，車身受到的壓力就小，進(jìn)而提升汽車的安全性。

在汽車眾多輕量化材料中，碳纖維復(fù)合材料兼具質(zhì)輕、高強(qiáng)、抗沖擊和耐腐蝕等優(yōu)異特點(diǎn)。在滿足安全前提下，碳纖維車身減少的重量是鋁合金等材料的2倍。用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)取代目前的鋼體車身，可使減重幅度高達(dá)60%，進(jìn)而提高30%以上的燃油效率，平衡新能源汽車上額外的電池重量。

汽車輕量化材料屬性對比

碳纖維復(fù)合材料車身結(jié)構(gòu)給汽車帶來的好處不僅僅是減重。

安全性

車身輕量化可以使整車的重心下移，提升了汽車操縱穩(wěn)定性，車輛的運(yùn)行將更加安全、穩(wěn)定。除此以外，碳纖維復(fù)合材料還具有極佳的能量吸收率，碰撞能量吸收能力是鋼的五到六倍、鋁的四到五倍，這使其具有優(yōu)越的安全性能。

舒適度

碳纖維復(fù)合材料具有更高的震動阻尼，輕合金需要9秒才能停止震動，碳纖維復(fù)合材料2秒就能停止，故碳纖維應(yīng)用在汽車上，對于整車NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）的提升貢獻(xiàn)同樣很大，會大幅增強(qiáng)汽車行駛的舒適性。

可靠性

碳纖維復(fù)合材料具有更高的疲勞強(qiáng)度，鋼和鋁的疲勞強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的30-50%，而碳纖維復(fù)合材料可達(dá)70-80%，因此汽車上應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料對于材料疲勞可靠性有較大提升。

豐田燃料電池客車SORA

碳纖維復(fù)合材料總裝環(huán)節(jié)少，規(guī)模化應(yīng)用具備產(chǎn)業(yè)可行性

價格高和加工效率低是阻礙碳纖維復(fù)合材料大規(guī)模使用的主要因素。目前碳纖維復(fù)合材料的成本達(dá)到20美元/kg，與此同時鋼的成本是0.8~1.0美元/kg，鋁合金的成本2.5美元/kg，鎂合金的成本3.75美元/kg。汽車金屬零件一般采用沖壓制成，1分鐘內(nèi)即可完成，而碳纖維復(fù)合材料制品生產(chǎn)所需的編織、注膠和冷卻工序需要數(shù)小時，這也制約碳纖維材料的大規(guī)模量產(chǎn)。

碳纖維復(fù)合材料未來空間巨大，隨著相關(guān)研究的逐步推進(jìn)，預(yù)計(jì)2020年之后，碳纖維復(fù)合材料的成本將降至70元/kg，生產(chǎn)效率提升至2分鐘/件，良品率也將提升至95%。

《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》要求

根據(jù)國家汽車減重要求推算，到2025年國內(nèi)汽車及電動車預(yù)計(jì)將分別達(dá)到3000萬輛和600萬輛，按照分別減重25%和50%的標(biāo)準(zhǔn)，對碳纖維的需求至少將達(dá)到10萬噸，市場空間可達(dá)百億級！

假設(shè)每輛汽車采用100Kg的碳纖維來代替鋁合金（150Kg），每輛汽車每年行駛里程2萬公里，按7元/kg（97#汽油）價格計(jì)算，如果碳纖維的價格能下降至60元/kg（行業(yè)龍頭Toray的T700級別碳纖維價格約150元/Kg），其經(jīng)濟(jì)性將與鋁合金（40元/kg）不相上下。

國內(nèi)汽車碳纖維復(fù)合材料尚處于試水階段，而國外已開始大力推廣，需求逐漸增加。若未來成本進(jìn)一步下降，碳纖維勢必逐步提高汽車市場滲透率，并逐漸普及，巨大汽車市場需求將迎來爆發(fā)。

4.其他輕量化材料

工程塑料也是汽車的一個輕量化材料，它還有一個專業(yè)的名字叫聚碳酸酯，許多車燈外殼、儀表盤就是用它制造的。由于具有透明的特點(diǎn)，很早就有人提出用它來替代汽車的車窗玻璃和擋風(fēng)玻璃，而科思創(chuàng)的概念車則更是夸張，直接使用了聚碳酸酯材料制造了整個駕駛艙，不僅降低了車身重量，同時也為我們帶來了一個透明駕駛艙的前衛(wèi)汽車。

近些年，隨著可持續(xù)發(fā)展概念深入人心，汽車設(shè)計(jì)師們紛紛開始放棄鋼材、石化材料，轉(zhuǎn)而將目光投向了可再生的植物。植物的質(zhì)量比起鋼材，顯然要更輕，目前他們除了充當(dāng)內(nèi)飾提升質(zhì)感外，也有了一些更重要的作用。

去年日本的研發(fā)人員用木漿制成了一種新型材料，它屬于纖維素納米纖維，與碳纖維性質(zhì)相當(dāng)，同時他們還表示將在2020年造出使用這一材料制成的原型車；福特方面也表示他們將使用竹子結(jié)合塑料制造一些電纜、冷卻風(fēng)扇。米其林方面透露消息稱，他們將使用木材來充當(dāng)輪胎填充物，以改變輪胎對于石油行業(yè)的依賴，同時這些木材將從工業(yè)廢料中提取，很好的貫徹了可持續(xù)發(fā)展，米其林表示希望在2020年之前完成對此類輪胎的概念驗(yàn)證。