1  前言

“國六(liù)”排放(fàng)标(biāo)準即将(jiāng)正式實施，汽車(chē)輕量(liàng)化的發展(zhǎn)越來越緊(jǐn)迫(pò)，傳(chuán)統鋼材已(yǐ)經不能滿足(zú)汽(qì)車的(de)質量(liàng)要求，各種輕量化材料在(zài)汽車中所(suǒ)占(zhàn)比例逐(zhú)漸增長。随(suí)着現代(dài)汽(qì)車對強度和(hé)輕量化(huà)要求不斷提高(gāo)，輕量化材料的(de)研發和選用顯得至關重要，本(běn)文通(tōng)過(guò)分(fèn)析輕(qīng)量化材料的應(yīng)用途徑及現狀(zhuàng)，闡述(shù)了(le)輕量化(huà)材料發展(zhǎn)所面(miàn)臨的(de)挑戰，并提(tí)出了解決方案(àn)。

2  汽車輕(qīng)量化的(de)意義

有研(yán)究驗證了，汽(qì)車(chē)每減(jiǎn)輕0.1t，最多可節約(yuē)燃(rán)油(yóu)0.6l/100km，并且可減(jiǎn)少co2排(pái)放(fàng)11g/100km[1]，大量的研究都證明汽(qì)車輕量化對于(yú)降低燃油(yóu)汽車(chē)油耗、滿足節能(néng)環保要(yào)求(qiú)有很重要的作用。

徐(xú)建全等(děng)[2]對純電(diàn)動汽(qì)車的輕量(liàng)化(huà)效果進行分(fèn)析，證明了輕(qīng)量化不僅可以節(jiē)約能源(yuán)，還(hái)可以(yǐ)在電(diàn)池容量相(xiàng)同(tóng)的條件(jiàn)下增加汽(qì)車的續航裏程，延長(zhǎng)電池壽命(mìng)。由(yóu)此可見(jiàn)，電動(dòng)汽車的輕(qīng)量化在提高電(diàn)動汽車性(xìng)能方(fāng)面也(yě)有很(hěn)重要(yào)的作用。此外，減(jiǎn)少汽車的(de)質量(liàng)還可(kě)以減輕懸(xuán)挂系(xì)統的(de)負擔(dān)，減小(xiǎo)汽車(chē)慣性(xìng)[3]，對車輛起到保(bǎo)護作用。

3  輕量化材(cái)料的應用

如(rú)圖1所示，福(fú)特(tè)的(de)新輕(qīng)型汽(qì)車通(tōng)過使用(yòng)碳(tàn)纖維(wéi)油底(dǐ)殼、鋁制連(lián)杆、尼龍(lóng)複(fú)合材料儀(yí)表盤、聚碳酸酯後車窗、碳(tàn)纖維車輪毂等(děng)，使車重減(jiǎn)少了25%。下面(miàn)将對目前(qián)常用的輕量化(huà)材料(liào)進(jìn)行介紹(shào)。

圖1 汽車(chē)輕量化(huà)的途(tú)徑

3.1 有色合(hé)金(jīn)材料

3.1.1 鋁(lǚ)合金(jīn)的應用

鋁合金(jīn)早在1899年便(biàn)在汽(qì)車中應用，到了(le)20世紀90年代以讴(ōu)歌nsx爲(wèi)首的超級(jí)跑車在汽(qì)車制(zhì)造中(zhōng)使用(yòng)鋁。全球第一(yī)輛(liàng)具有全鋁車(chē)身的汽(qì)車是奧迪于1994年(nián)開發的，如圖2所(suǒ)示，其afs白車(chē)身所用材(cái)料(liào)幾乎全是鋁(lǚ)材，比(bǐ)上一(yī)代白車身減重(zhòng)近35kg。

圖(tú)2 audi a8 d3車身(shēn)

2000年奧(ào)迪公司(sī)推出的(de)奧迪a2，首次實現(xiàn)了全鋁車身技(jì)術(shù)在微型轎車(chē)上的(de)應(yīng)用，其(qí)asf車身是(shì)a8之(zhī)後(hòu)的第(dì)二代(dài)鋁(lǚ)制空間車架(jià)，具有(yǒu)質量輕(qīng)、強(qiáng)度大(dà)的優(yōu)點。此外還有特(tè)斯拉、路虎、捷豹(bào)等國外品(pǐn)牌在汽車(chē)中大量使(shǐ)用鋁合金，獲得(dé)了良好的減重(zhòng)效果，如(rú)2019年(nián)上市(shì)的新(xīn)款(kuǎn)特斯拉(lā)model s通過大(dà)量(liàng)應用(yòng)鋁(lǚ)合(hé)金，減輕了(le)整車(chē)質(zhì)量，使其(qí)最長(zhǎng)續航(háng)裏程(chéng)可達660km。我國也逐漸将(jiāng)全鋁車身(shēn)應(yīng)用(yòng)于新能源(yuán)汽車的(de)制(zhì)造，2016年南甯市有18輛全(quán)鋁車身新能源公交車投入使(shǐ)用(yòng)。除(chú)全鋁車身(shēn)外，用鋁導線大(dà)規模(mó)代替銅導(dǎo)線，可将導線質量降(jiàng)低60%以上，并(bìng)且(qiě)減少成(chéng)本40%～50%[4]。鋁(lǚ)具有良好的(de)延(yán)展性，使其(qí)能有效緩(huǎn)解汽(qì)車碰(pèng)撞時帶來的沖擊，所以鋁(lǚ)合金(jīn)保險杠的耐(nài)撞性優(yōu)于鋼制保險杠。

據(jù)相(xiàng)關統計表明[5]，全球平(píng)均(jun1)用鋁量(liàng)逐年(nián)攀升(shēng)，預計到(dào)2050年平均汽(qì)車用鋁量将達到240kg/輛，目(mù)前中(zhōng)國汽(qì)車平(píng)均用鋁量約爲(wèi)153kg/輛，是2050年平均用鋁的(de)64%，不論是與(yǔ)發達國家平均(jun1)用鋁(lǚ)水平還是我(wǒ)國長(zhǎng)期的發(fā)展目(mù)标都有(yǒu)很(hěn)大差距，因此，鋁(lǚ)合金在汽(qì)車上的使用仍有很(hěn)大的(de)提升空間(jiān)。

鋁合金(jīn)雖然具(jù)有輕量化、成型(xíng)性高的特(tè)點，但其應用也受到(dào)一些限制。首先，鋁合(hé)金(jīn)的高強度是(shì)比(bǐ)強(qiáng)度，即(jí)強度(dù)與(yǔ)密度的(de)比值(zhí)，但相(xiàng)比于(yú)傳統的鋼材，鋁(lǚ)及鋁合金的(de)強(qiáng)度和硬度都比(bǐ)較低，在(zài)保(bǎo)證汽(qì)車的安全性上(shàng)具有一定挑戰(zhàn)。其次，鋁及鋁(lǚ)合(hé)金的産量(liàng)相比(bǐ)于傳統(tǒng)鋼材也(yě)有很大差距，并且暫時沒有超(chāo)過鋼材(cái)的可能(néng)。最後(hòu)，鋁的價格(gé)比傳統(tǒng)鋼材高(gāo)，而且(qiě)鋁材在汽(qì)車行(háng)業應用的(de)興起有可能(néng)造(zào)成鋁(lǚ)價的進一(yī)步上升，在(zài)一定(dìng)程度上也(yě)會影(yǐng)響鋁材(cái)的應用(yòng)。

3.1.2 鎂合(hé)金的應用

鎂合(hé)金在汽車(chē)上的應用最早可追(zhuī)溯到1930年的德(dé)國，其用(yòng)量僅(jǐn)有73.8kg。1938年大衆生(shēng)産(chǎn)的“大(dà)衆(zhōng)1型(xíng)”轎車使用了(le)壓鑄鎂(měi)合金制造(zào)傳動(dòng)系統的(de)零部件(jiàn)[6]。鎂合金汽車座(zuò)椅也(yě)是較早的(de)鎂合金(jīn)汽(qì)車零(líng)部件之一，鎂合(hé)金的座椅(yǐ)靠背和座(zuò)框相比于鋼制座椅(yǐ)可以(yǐ)分别(bié)減(jiǎn)重47.7%和44.2%。在(zài)乘用(yòng)車中(zhōng)，福特(tè)探險者的第三(sān)排座椅靠(kào)背就(jiù)應用(yòng)了壓(yā)鑄鎂(měi)合金零(líng)部(bù)件。除(chú)了座(zuò)椅骨架之外，座(zuò)椅的(de)支撐(chēng)支架(jià)也(yě)可(kě)以使(shǐ)用鎂合(hé)金(jīn)，可以(yǐ)在滿足座椅高(gāo)度需求的(de)同時(shí)減(jiǎn)重(zhòng)，座椅(yǐ)舒适(shì)性也(yě)可以(yǐ)相應提升。

得益于其(qí)良好的(de)電磁屏蔽性(xìng)能和高比強度、高阻尼能(néng)力，鎂合金在很(hěn)多領(lǐng)域(yù)都(dōu)體現(xiàn)出比鋁(lǚ)和(hé)鋼更(gèng)好的(de)使用(yòng)性能(néng)，在(zài)汽(qì)車(chē)領域的(de)應用(yòng)也越(yuè)來越(yuè)廣泛，如(rú)方(fāng)向盤、汽缸(gāng)蓋、發(fā)動機缸體(tǐ)、門框、進氣歧(qí)管以及(jí)各零(líng)部件(jiàn)安裝所(suǒ)需(xū)的螺(luó)釘，都(dōu)可以使用(yòng)鎂(měi)合金進(jìn)行制造。

現(xiàn)在，我(wǒ)國汽車的用鎂(měi)量爲1.5kg/輛，而(ér)北美(měi)爲3.8kg/輛(liàng)，日(rì)本爲9.3kg/輛(liàng)，雖然(rán)與(yǔ)這兩個國家有一定差(chà)距(jù)，但根據(jù)《節能(néng)與新能(néng)源汽車技術路線(xiàn)圖》，到(dào)2025年我(wǒ)國每輛車使用鎂合金要達(dá)到(dào)25kg，并逐步縮(suō)小與發(fā)達國家(jiā)的差距。

雖然鎂(měi)具有(yǒu)很(hěn)多優點(diǎn)，但其價格是鋁(lǚ)的2～3倍，鋼(gāng)鐵(tiě)的4倍(bèi)左右，比較昂貴(guì)，随着技術的發展，低(dī)成(chéng)本鎂合(hé)金會逐(zhú)漸研發(fā)使用(yòng)[7]。此外，随着(zhe)鎂合金回收再(zài)利用技(jì)術的發(fā)展以(yǐ)及環保要求的(de)提高，鎂在(zài)汽(qì)車領域(yù)的發(fā)展形勢值(zhí)得(dé)被(bèi)特殊關(guān)注。

3.1.3 钛合金的應(yīng)用

钛有(yǒu)三大優(yōu)點，分别是(shì)“輕(qīng)”、“高強”、“不鏽(xiù)”。作爲輕金屬材(cái)料在(zài)汽車行業受到很多(duō)研究者的關(guān)注[8]。

全钛(tài)汽車最早是由(yóu)美國通用公(gōng)司(sī)在1956年研發成功(gōng)的“火鳥Ⅱ”型汽車(chē)，但由于钛及钛合(hé)金價格昂貴(guì)，所以在(zài)汽車領(lǐng)域的(de)應用一直(zhí)受限。20世(shì)紀50年代(dài)日本開始研制(zhì)钛及钛合(hé)金的(de)汽車零件，20世紀(jì)60年代，钛被(bèi)應用(yòng)于賽車發(fā)動機(jī)，直到20世(shì)紀末钛(tài)及钛合金才随(suí)着豪華(huá)轎(jiào)車的(de)發展(zhǎn)得到大量(liàng)應用[16]，之(zhī)後随着(zhe)低成本(běn)钛(tài)合金(jīn)的出現和(hé)發展(zhǎn)，钛合金開始(shǐ)廣(guǎng)泛應(yīng)用于普通汽車(chē)的制造中。

有研究證實，20kg的(de)鋼制汽(qì)車動力(lì)閥零件與0.8kg的(de)钛合金零件(jiàn)具有相同的效果，但(dàn)其質(zhì)量(liàng)減低了96%。用钛(tài)合金制作(zuò)汽車發動(dòng)機氣(qì)門可以減重30%～40%并提高(gāo)最高轉速(sù)[7]。對于(yú)減震系統(tǒng)，有研究(jiū)表明用(yòng)钛合金彈簧(huáng)完全代替原(yuán)來的(de)鋼彈簧在諸多方面來說都是可(kě)行的，可使重(zhòng)量減(jiǎn)輕43.3%。

钛及钛(tài)合金在排氣系(xì)統中比較(jiào)常用(yòng)，用钛制消(xiāo)音器(qì)代替(tì)不鏽鋼消(xiāo)音器(qì)可(kě)以減重40%左右，雪佛(fó)蘭克(kè)爾維特z06成(chéng)功實(shí)現此替代(dài)，保證(zhèng)在系統(tǒng)強(qiáng)度不(bú)變的(de)情況下(xià)，使(shǐ)質量(liàng)更(gèng)輕(qīng)，車速更快(kuài)且(qiě)節約燃(rán)料[7]。還(hái)有研(yán)究表(biǎo)明，若(ruò)将某1500kg的中(zhōng)型轎車中所有傳統零件替換(huàn)成钛合金(jīn)零件，整車(chē)質(zhì)量(liàng)将減(jiǎn)少500kg左右，這(zhè)也就(jiù)可以大幅降低(dī)油耗。

目前我國(guó)已擁有生(shēng)産钛(tài)及钛(tài)合(hé)金的能(néng)力，但(dàn)由于(yú)钛合(hé)金價格(gé)高(gāo)，對工(gōng)藝參(cān)數敏感，所(suǒ)以钛合金在汽車零部件中的(de)應用一直(zhí)受到(dào)限制。钛合金(jīn)流動性差，鑄(zhù)件中易形成(chéng)鑄造缺(quē)陷，因此(cǐ)對(duì)钛合金(jīn)鑄造、加工所(suǒ)需設(shè)備和條件(jiàn)的要求較(jiào)高，這(zhè)是钛合金零部(bù)件不(bú)受汽(qì)車廠(chǎng)商(shāng)青睐的(de)重要原因之一(yī)。随着(zhe)我國科技水平(píng)的迅速(sù)提升，钛(tài)及钛合金的研(yán)發(fā)飽(bǎo)受關注，必(bì)使钛合(hé)金(jīn)朝着(zhe)低成本，高質量(liàng)發展。而(ér)且柳寶(bǎo)元[9]通過實驗證(zhèng)明，钛合金粉末(mò)的力(lì)學性能與粉末(mò)循環(huán)次數(shù)沒有任何明顯(xiǎn)的關系，從(cóng)側面(miàn)佐證了(le)钛(tài)合金(jīn)材料的回收利(lì)用是(shì)可(kě)以(yǐ)實現(xiàn)的，并(bìng)且循環利用次數不會顯(xiǎn)著影響钛(tài)合金(jīn)材料的(de)性(xìng)能。未來，钛及钛(tài)合金(jīn)在汽車領域的廣泛利用值得期(qī)待(dài)。

3.2 高強度鋼(gāng)的應用

國(guó)際鋼(gāng)鐵協會汽車鋼(gāng)聯盟(méng)在1994年開展(zhǎn)的ulsab計(jì)劃，1997年開展的ulsac、ulsas計劃和(hé)1998年的(de)ulsab-avc計劃(huà)，都(dōu)實現了(le)用先(xiān)進高(gāo)強度(dù)鋼代替普通低(dī)碳鋼，在不(bú)增加(jiā)成本的(de)基礎上(shàng)爲車身減重。

在(zài)我國，2001年奇瑞汽(qì)車公司(sī)與寶鋼(gāng)的合作(zuò)，實現了(le)在(zài)試(shì)制樣車上(shàng)使用46%的(de)高強度(dù)鋼闆，對減(jiǎn)重起到了很(hěn)大的作用。2003年(nián)，重汽将高(gāo)強度鋼廣泛應(yīng)用于車架的輕(qīng)量化發展，成功(gōng)研制了(le)高強度(dù)鋼單(dān)層梁(liáng)車架，并實現(xiàn)量(liàng)産。

高(gāo)強度鋼由(yóu)于其(qí)優秀的強度非(fēi)常适(shì)合用于汽(qì)車車身結(jié)構的制(zhì)造(zào)。圖3展(zhǎn)示了(le)高強度鋼在車(chē)身上的應(yīng)用細(xì)節，如汽車(chē)的被動安全系(xì)統部(bù)件(jiàn)，包括側門防(fáng)撞鋼梁、安(ān)全杆(gǎn)和保險(xiǎn)杠系統可以使(shǐ)用(yòng)超高強度(dù)鋼，而車頂(dǐng)較(jiào)少承受撞擊(jī)，則可以(yǐ)使(shǐ)用高強度(dù)鋼。

圖3 新一(yī)代高強(qiáng)度鋼在車身(shēn)上(shàng)的應用(yòng)[3]

高強度(dù)鋼作爲(wèi)目前汽車(chē)的主(zhǔ)要輕量化材料(liào)，其強塑(sù)積(jī)（強度(dù)與塑(sù)性的(de)乘積）不能完(wán)美配合(hé)，是所面臨(lín)的一大難題，強(qiáng)度越(yuè)高，塑韌(rèn)性(xìng)越差，當抗(kàng)拉(lā)強度超(chāo)過1400mpa時(shí)，高強(qiáng)度鋼(gāng)極易(yì)發生(shēng)疲勞(láo)破壞[10]。2010年，我國成功研(yán)發第3代先(xiān)進汽(qì)車用鋼，主(zhǔ)要(yào)包(bāo)括q&p鋼、中mn-trip鋼(gāng)以及無碳(tàn)化物貝氏體鋼，相比于前兩代汽車鋼，第3代汽車鋼具有高強(qiáng)度、輕(qīng)量化、低成本的(de)優點，而且在塑(sù)性和韌性方面(miàn)均有一定的提升[11]，從而受(shòu)到諸(zhū)多關注，目前(qián)我對國第3代(dài)汽車(chē)用高強(qiáng)度鋼的(de)研究(jiū)處(chù)于世界(jiè)前(qián)列(liè)。

高(gāo)強度鋼與鎂合金、钛(tài)合(hé)金應用(yòng)中(zhōng)高成(chéng)本的困(kùn)擾不同(tóng)，高強度(dù)鋼面臨(lín)的問(wèn)題(tí)是具有(yǒu)高強塑積的(de)汽車鋼闆新材料(liào)、新工藝的(de)研發，以及(jí)在高強鋼(gāng)加工過程(chéng)中的(de)問題，如回彈。回彈量随(suí)初(chū)始屈(qū)服強度的增大(dà)而增大(dà)，這将影(yǐng)響高強度鋼的(de)成形質量，增(zēng)加加工(gōng)難(nán)度。爲克(kè)服回彈現象，保(bǎo)證汽車車身及零部件形狀精(jīng)度，還需要不(bú)斷進行回彈控制(zhì)技術(shù)的研究[12]。

3.3 塑(sù)料和(hé)複(fú)合(hé)材料的(de)應(yīng)用(yòng)

汽(qì)車塑(sù)料化是當(dāng)今汽(qì)車制(zhì)造的一大趨勢(shì)。車(chē)用塑料(liào)質量(liàng)輕、強度高(gāo)，隻有普(pǔ)通鋼材(cái)重量(liàng)的15%～20%，比木材更輕，對汽(qì)車輕(qīng)量化(huà)有極大的(de)促進(jìn)作用(yòng)。

20世紀70年(nián)代(dài)，塑料(liào)使用(yòng)量占汽車總質(zhì)量的比例(lì)爲2%～3%，到20世紀90年代提升至7%～9%。2007年，一款由法(fǎ)國研發人(rén)員研(yán)發的(de)名爲“歡樂(lè)敞篷”的全(quán)塑料汽車在英(yīng)國上(shàng)市，整車隻有370kg，僅(jǐn)爲普通汽車的(de)三分(fèn)之一。不久(jiǔ)前日本的旭化(huà)成公司(sī)新開發了一(yī)種聚酰胺(àn)泡沫塑料，這種(zhǒng)泡沫(mò)塑料(liào)具有(yǒu)極好的耐(nài)熱性(xìng)、耐油(yóu)性(xìng)、剛性和(hé)降噪(zào)質量(liàng)，在汽車的内(nèi)飾(shì)、車頂(dǐng)、發動機、座椅和(hé)地闆(pǎn)結構中都(dōu)可以應(yīng)用(yòng)，在減(jiǎn)重降(jiàng)噪方(fāng)面有(yǒu)很好的效果。

複(fú)合材料具有比強度和比(bǐ)模量(liàng)高、密(mì)度小，質量輕、強度高、安全(quán)等級(jí)高等(děng)優點(diǎn)，是汽(qì)車輕量化(huà)的理想材料。碳(tàn)纖維(wéi)複合材料可以使車身、底(dǐ)盤減重50%以(yǐ)上。用(yòng)碳纖(xiān)維(wéi)複(fú)合材料所制(zhì)的(de)闆簧(huáng)與傳統材料相(xiàng)比減重76%，使用碳纖維發動機罩(zhào)可使(shǐ)發動機減(jiǎn)重6kg以上[13]。以寶馬(mǎ)i8車身(shēn)結(jié)構(gòu)爲例，它在(zài)車身底盤（drive）采用的是金屬結構(gòu)，但在乘員(yuán)艙（life）使用了cfrp碳纖(xiān)維增強複(fú)合材(cái)料，兼(jiān)顧了強度(dù)與輕量(liàng)化。

目前(qián)碳纖維(wéi)複合材(cái)料的應用面臨(lín)兩大障(zhàng)礙，其一(yī)是制(zhì)造成本，例(lì)如以碳纖維爲框架的座椅成(chéng)本是(shì)鋼材(cái)框架(jià)的6倍之(zhī)高，使其無法(fǎ)大量(liàng)應用(yòng)于汽(qì)車；其二是(shì)時間成本，用鋼(gāng)隻需1分鍾的就(jiù)能制造完成的零件(jiàn)用碳纖維(wéi)需(xū)要5分鍾，若進行大(dà)量生(shēng)産(chǎn)耗(hào)費的時間則會(huì)成倍增長，這無(wú)疑又(yòu)增加(jiā)了碳(tàn)纖維(wéi)複合材料(liào)的應用難度。

從2017年發(fā)布的(de)《節能與新能源汽車(chē)技術路(lù)線圖》的要(yào)求來看，到2030年，碳纖維的使用(yòng)量要達到(dào)汽車總重(zhòng)的5%，并且碳纖維的成(chéng)本也(yě)需要大幅度降(jiàng)低。

3.4 精細陶瓷的(de)應用(yòng)

精細(xì)陶瓷(cí)也是當前很重(zhòng)要的一(yī)大類材(cái)料(liào)。它具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐(fǔ)蝕等(děng)特(tè)點(diǎn)，以及(jí)在磁、電(diàn)、光、聲各(gè)方面(miàn)的特(tè)殊功(gōng)能，目(mù)前應用于(yú)汽車上多(duō)種(zhǒng)零部件，如陶(táo)瓷軸(zhóu)承、陶瓷發動機、陶瓷淨化(huà)器載(zǎi)體、陶瓷刹(shā)車片(piàn)和陶瓷繼電器(qì)等[14]。

4  結論

汽(qì)車輕(qīng)量化的材料随(suí)着科技的進步呈(chéng)現(xiàn)出多元化(huà)的發展趨勢，在質量(liàng)、強度和剛(gāng)度要求不斷提高的(de)前提下汽(qì)車輕量化(huà)的道(dào)路充(chōng)滿機遇和挑戰。輕量(liàng)化材料在(zài)汽車上的(de)使用會趨向于通過(guò)多(duō)種材料(liào)的組合來彌(mí)補(bǔ)使用單一(yī)材料(liào)帶來的(de)缺陷。改(gǎi)善材(cái)料的(de)性能(néng)，降低材料的成(chéng)本以及提高材(cái)料的回收(shōu)利用(yòng)率必将(jiāng)爲各種(zhǒng)汽車輕量化材料(liào)的發展提供(gòng)無限(xiàn)可(kě)能。