新材料在汽車(chē)輕量化中的應(yīng)用

隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，全球?qū)Νh(huán)境和資源保護(hù)的意識(shí)不斷增強(qiáng)。世界各國(guó)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，越來(lái)越注重生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，綠色環(huán)保和節(jié)能減排成為發(fā)展主題。在此形勢(shì)下，作為能源消耗和排放大戶的汽車(chē)工業(yè)要想實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須降低燃油消耗，減少污染排放。目前，主要有3種途徑解決汽車(chē)的節(jié)能、環(huán)保與安全問(wèn)題，一是發(fā)展新能源汽車(chē)，二是發(fā)展先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，三是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化[1]。新能源汽車(chē)是發(fā)展方向，但目前受基礎(chǔ)設(shè)施配套建設(shè)、價(jià)格和市場(chǎng)接受度等因素影響，進(jìn)展緩慢。動(dòng)力系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展相當(dāng)成熟，短期內(nèi)進(jìn)一步提升的空間不大。因此，汽車(chē)輕量化成為汽車(chē)工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的主攻方向。

汽車(chē)輕量化是在保證強(qiáng)度和安全性的前提下，盡可能降低汽車(chē)整備質(zhì)量，以提高汽車(chē)的動(dòng)力性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)每減輕10%的質(zhì)量，就會(huì)節(jié)省6%～8%的燃料，會(huì)使排放下降4%。汽車(chē)輕量化的實(shí)現(xiàn)需要材料技術(shù)、輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、輕量化綠色制造技術(shù)3方面的進(jìn)步，是材料、設(shè)計(jì)、加工成形技術(shù)等多方面的集成，其中材料的創(chuàng)新是基礎(chǔ)和核心。為減輕汽車(chē)自重，眾多汽車(chē)廠商多年來(lái)一直進(jìn)行材料研發(fā)，“以鋁代鋼”、“以塑代鋼”的口號(hào)很早就提出，但目前汽車(chē)用主流材料仍舊是鋼，且在短期之內(nèi)鋼的地位無(wú)法撼動(dòng)。到底哪些新材料能夠在汽車(chē)輕量化中應(yīng)用，哪些因素制約了我國(guó)這些新材料的進(jìn)一步推廣？這些問(wèn)題值得研究。

一、汽車(chē)輕量化新材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.材料種類趨向多樣化

新材料的應(yīng)用是汽車(chē)實(shí)現(xiàn)輕量化的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)輕量化，世界各大汽車(chē)生產(chǎn)商和材料生產(chǎn)廠家一直致力于輕量化材料的研發(fā)，輕量化材料應(yīng)用的多少已經(jīng)成為衡量汽車(chē)生產(chǎn)技術(shù)和新材料開(kāi)發(fā)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。早在20世紀(jì)70年代歐美等汽車(chē)生產(chǎn)商就開(kāi)始了汽車(chē)輕量化嘗試，汽車(chē)發(fā)達(dá)國(guó)家投入了人力和財(cái)力支持汽車(chē)輕量化。目前，用于汽車(chē)輕量化的材料主要有低密度的輕質(zhì)材料和高強(qiáng)度材料，前者包括以鋁、鎂、鈦合金為代表的金屬材料和塑料、纖維等高分子材料，后者主要指高強(qiáng)度鋼。鋁及合金主要用在汽車(chē)上的車(chē)輪、動(dòng)力系和懸架系零部件，鎂及鎂合金大量用在殼體類零部件和支架類零部件，高強(qiáng)鋼主要用在汽車(chē)的結(jié)構(gòu)件、安全件和加強(qiáng)件等，塑料等高分子材料逐漸在油箱、風(fēng)扇葉片、翼子板等結(jié)構(gòu)件上使用。

2.應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大

以高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等為代表的輕量化材料具有良好的減重效果，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，需求規(guī)模不斷增長(zhǎng)。以汽車(chē)工業(yè)最常用的輕量化材料鋁合金為例，鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、循環(huán)利用性強(qiáng)、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能等優(yōu)勢(shì)，在氣缸體、殼體、轉(zhuǎn)向盤(pán)骨架等零部件上大量使用，是汽車(chē)輕量化重要的替代材料。加之鋁合金加工技術(shù)不斷發(fā)展成熟，通過(guò)對(duì)鋁合金適當(dāng)?shù)募庸づc處理，鋁合金強(qiáng)度還可以大幅提升。盡管與超高強(qiáng)鋼相比有一定差距，但仍可以滿足汽車(chē)的很多應(yīng)用，鋁合金應(yīng)用范圍已經(jīng)逐漸從車(chē)輪等零部件逐漸擴(kuò)展到車(chē)身、車(chē)門(mén)和車(chē)蓋。目前，已經(jīng)有福特、奧迪、捷豹等汽車(chē)生產(chǎn)商使用全鋁車(chē)身，國(guó)內(nèi)奇瑞汽車(chē)等廠家也逐漸開(kāi)始全鋁車(chē)身的嘗試。有研究預(yù)測(cè)，未來(lái)汽車(chē)用鋁規(guī)模將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，汽車(chē)的鋁化界限可以達(dá)到30%～50%。

3.減重作用日益突出

輕量化材料的使用，可以大大減輕汽車(chē)自重，提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。和傳統(tǒng)汽車(chē)材料低碳鋼相比，輕量化材料較低碳鋼可以減輕15%～60%的質(zhì)量，如高強(qiáng)鋼、鋁、鎂、玻璃纖維復(fù)合材料可分別減輕15%～25%、40%～50%、55%～60%、25%～35%的質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)輕量化，世界主要汽車(chē)廠商都相繼在主要車(chē)型上使用輕量化材料，減重效果顯著。如福特公司使用全鋁車(chē)身，并在懸架系統(tǒng)、車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、保險(xiǎn)杠等部件也使用鋁合金的新款F-150車(chē)型，與現(xiàn)款車(chē)型相比，減重340kg，燃油經(jīng)濟(jì)性提升20%；凱德拉克ATS整車(chē)使用高強(qiáng)和超高強(qiáng)鋼，前副車(chē)架和發(fā)動(dòng)罩使用鋁合金，懸掛構(gòu)件和發(fā)動(dòng)機(jī)支架使用鎂合金，較鋼制件減重近50%。從車(chē)身構(gòu)造到內(nèi)部配置，多種輕量化材料的使用不僅減輕了車(chē)身質(zhì)量，也提高了安全性和舒適性。

二、我國(guó)汽車(chē)輕量化新材料應(yīng)用存在的問(wèn)題

我國(guó)汽車(chē)輕量化材料在應(yīng)用中主要存在以下3個(gè)問(wèn)題：輕量化材料普及率不高、輕量化效果不顯著和后期的維護(hù)服務(wù)不到位。

1.輕量化材料普及率不高

使用輕量化材料已經(jīng)在我國(guó)汽車(chē)廠商內(nèi)部達(dá)成共識(shí)，但實(shí)際中輕量化材料使用率并不高。這體現(xiàn)在2個(gè)方面，一是輕質(zhì)材料使用率偏低，如鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料僅在高檔車(chē)上使用，且大都作為零部件，鋼仍然是主要的汽車(chē)用材料。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)鋼材在汽車(chē)整車(chē)的使用比例在60%～70%。未來(lái)3～5年，鋼板特別是高強(qiáng)鋼板的主流地位難以撼動(dòng)。二是我國(guó)的高強(qiáng)鋼板應(yīng)用比例遠(yuǎn)不如國(guó)外。高強(qiáng)鋼的應(yīng)用比例低表現(xiàn)為高強(qiáng)鋼的使用量和強(qiáng)度級(jí)別均低于國(guó)外，如國(guó)外汽車(chē)上高強(qiáng)鋼的使用量占汽車(chē)總量的比例達(dá)到70%，而國(guó)內(nèi)只有40%左右。此外，盡管我國(guó)逐步實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)用鋼的國(guó)產(chǎn)化，已經(jīng)有寶鋼集團(tuán)、武鋼集團(tuán)、鞍鋼集團(tuán)、本鋼集團(tuán)、首鋼集團(tuán)等鋼企具備生產(chǎn)汽車(chē)用高強(qiáng)鋼的能力，但是仍有部分高檔汽車(chē)面板及優(yōu)質(zhì)鋼依賴進(jìn)口，無(wú)法滿足市場(chǎng)需求。

2.輕量化效果不顯著

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)汽車(chē)輕量化取得了一定的進(jìn)步，但與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)自主品牌汽車(chē)的輕量化水平整體不高。我國(guó)自主品牌轎車(chē)的自整體質(zhì)量比發(fā)達(dá)國(guó)家重8%～10%，若在質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下，我國(guó)自主品牌轎車(chē)比國(guó)外同類車(chē)型的安全性差2～3個(gè)等級(jí)。我國(guó)商用車(chē)比國(guó)外同類產(chǎn)品重10%～15%，重型載貨車(chē)平均重20%以上。據(jù)測(cè)算，我國(guó)汽車(chē)與國(guó)外相比，每輛汽車(chē)平均消耗汽油或柴油2.5t/（車(chē)·年），高于美國(guó)的1.6t/（車(chē)·年），歐洲的1.1t/（車(chē)·年），日本的1t/（車(chē)·年），這導(dǎo)致我國(guó)單車(chē)年消耗高于歐美日同類產(chǎn)品，汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性不高。此外，我國(guó)汽車(chē)百公里平均油耗也高于國(guó)外，汽車(chē)輕量化效果與國(guó)外相比差距較大。

3.后期的維護(hù)服務(wù)不到位

輕量化材料在汽車(chē)上使用后，后期的保養(yǎng)與維修服務(wù)也很重要。和傳統(tǒng)鋼材料的后期維護(hù)服務(wù)相比，我國(guó)這方面的服務(wù)還不到位。如傳統(tǒng)鋼材料制車(chē)身受到撞擊變形后，可以通過(guò)鈑金技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，且汽車(chē)修理商都能提供相關(guān)的維修和養(yǎng)護(hù)服務(wù)，但是鋁制車(chē)身受到損壞后，鈑金修復(fù)技術(shù)難度較高，相關(guān)配套維修和養(yǎng)護(hù)服務(wù)也比較匱乏，大部分汽車(chē)修理商因技改成本高而無(wú)法提供后期維護(hù)服務(wù)。除了鋁合金，碳纖維等其他輕量化材料也存在缺乏后續(xù)配套服務(wù)等問(wèn)題。

三、制約我國(guó)汽車(chē)輕量化新材料應(yīng)用的因素

汽車(chē)輕量化材料的應(yīng)用要求技術(shù)上可行和經(jīng)濟(jì)上合理。因此，技術(shù)和成本成為了制約汽車(chē)輕量化新材料應(yīng)用的最大問(wèn)題，也是困擾我國(guó)新材料和汽車(chē)行業(yè)多年發(fā)展的難題。

1.技術(shù)不過(guò)關(guān)

汽車(chē)輕量化要求材料變輕、變薄，但強(qiáng)度不能減少甚至要提高，但材料強(qiáng)度提高后，加工難度也變大。如車(chē)用鋼板強(qiáng)度提高后就要求更高的沖壓工藝，以盡可能減少深沖過(guò)程中材料的裂紋和折皺。我國(guó)很多鋼廠在這方面不斷加大研發(fā)投入，但仍然無(wú)法克服鋼板強(qiáng)度和沖壓之間的矛盾；此外，我國(guó)熱成形高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)線主要從國(guó)外引進(jìn)，熱成形技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)還未建立，熱沖壓成形技術(shù)與國(guó)外差距較大。鋁合金面臨合金改良和制造工藝靈活化等技術(shù)挑戰(zhàn)，車(chē)身成形技術(shù)、批量生產(chǎn)的高速連接技術(shù)等還沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性突破；復(fù)合材料工業(yè)整體比較落后，碳纖維等高端材料核心技術(shù)掌握在日本東麗株式會(huì)社、東邦化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社等國(guó)外少數(shù)企業(yè)手中，國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)高端碳纖維的企業(yè)較少。技術(shù)不過(guò)關(guān)制約了我國(guó)汽車(chē)輕量化新材料的應(yīng)用，我國(guó)高強(qiáng)鋼、高端鋁用量較國(guó)際先進(jìn)水平少一半。

2.成本較高

除了技術(shù)瓶頸以外，使用輕量化材料帶來(lái)的成本增加也影響了其普及應(yīng)用。一是研發(fā)成本較高，企業(yè)得投入大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行新材料研發(fā)，周期長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)高，投資回報(bào)率不確定，盡管材料企業(yè)和汽車(chē)企業(yè)都認(rèn)同汽車(chē)使用輕量化材料的趨勢(shì)，但是實(shí)際中只有少數(shù)企業(yè)有實(shí)力從事輕量化新材料的研發(fā)。二是材料成本過(guò)高，這主要體現(xiàn)在鋁、鎂等合金材料以及復(fù)合材料上。和傳統(tǒng)的鑄鐵、鋼材相比，鋁合金、鎂合金、碳纖維的價(jià)格較高；和同為輕量化材料的高強(qiáng)鋼相比，輕質(zhì)材料價(jià)格也不具有明顯優(yōu)勢(shì)。汽車(chē)通過(guò)使用這些輕質(zhì)材料減重1kg，整車(chē)企業(yè)的成本會(huì)大大增加。如奧迪早在20世紀(jì)90年代就通過(guò)技術(shù)改良實(shí)現(xiàn)了鋁制車(chē)身，但目前為止，民用車(chē)上僅有奧迪和捷豹路虎2家車(chē)企使用全鋁車(chē)身。三是制造成本高。如鋁合金因生產(chǎn)技術(shù)不過(guò)關(guān)和工藝流程復(fù)雜，導(dǎo)致生產(chǎn)制造成本較高。汽車(chē)面板用鋁合金一旦發(fā)生磨損或變形，還需要全部更換。除了鋁合金，碳纖維也存在量產(chǎn)工藝不成熟、生產(chǎn)成本高的問(wèn)題。此外，對(duì)于汽車(chē)企業(yè)而言，更換材料相應(yīng)地更換生產(chǎn)線和設(shè)備，企業(yè)成本將大幅增加。

四、我國(guó)推廣汽車(chē)輕量化新材料的措施建議

高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等汽車(chē)輕量化材料特性不同，用途不同，存在一定程度的替代，但不能完全替代。高強(qiáng)鋼碰撞性能強(qiáng)，加工工藝成熟，成本優(yōu)勢(shì)明顯，但減重效果不如其他材料；鋁及鋁合金生產(chǎn)工藝比較成熟，但承載力、力學(xué)性能等與鋼相比仍有差距；鎂的密度低、質(zhì)量輕，但造價(jià)高，全生命周期的時(shí)候碳排放較高；塑料制品質(zhì)量輕、加工性能良好，但在回收處理過(guò)程中存在環(huán)境污染問(wèn)題，限制了其使用范圍。因此，汽車(chē)輕量化新材料的選用是安全、性能、成本、環(huán)保等多因素權(quán)衡的結(jié)果，多材料是汽車(chē)材料使用的基本戰(zhàn)略。在汽車(chē)輕量化的大趨勢(shì)下，推動(dòng)多種汽車(chē)輕量化新材料發(fā)展勢(shì)在必行。

加強(qiáng)上下游多方合作，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。支持上游材料企業(yè)與下游汽車(chē)生產(chǎn)商開(kāi)展研發(fā)合作，推廣EVI模式，應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，豐富完善汽車(chē)材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真模擬等技術(shù)，提供良好的材料產(chǎn)品解決方案，為下游汽車(chē)生產(chǎn)商不斷提供新材料和個(gè)性化服務(wù)。鼓勵(lì)材料企業(yè)根據(jù)汽車(chē)廠商實(shí)際需求，優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和工藝選擇，生產(chǎn)輕量化、通用化、模塊化、環(huán)保化的汽車(chē)零部件，培養(yǎng)集研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)等為一體的大型材料供應(yīng)商。推動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)制造商積極開(kāi)展與材料企業(yè)的多向合作，建立共同研發(fā)模式，汽車(chē)廠商及時(shí)反饋市場(chǎng)需求，參與新材料及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)推廣，形成新材料研發(fā)聯(lián)合體。

強(qiáng)化產(chǎn)學(xué)研用合作，提高自主創(chuàng)新能力。加大基礎(chǔ)研究投入，鼓勵(lì)高校、科研院所等開(kāi)展輕量化材料基礎(chǔ)和核心技術(shù)攻關(guān)，并加強(qiáng)與企業(yè)的研發(fā)合作，突破一批新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，加快科研成果的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。支持企業(yè)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行消化吸收再利用，加強(qiáng)內(nèi)部研發(fā)，推動(dòng)企業(yè)成為應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)主體，同時(shí)鼓勵(lì)企業(yè)與高校、科研機(jī)構(gòu)等共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程技術(shù)研究中心等，強(qiáng)化外部研發(fā)，提高創(chuàng)新活動(dòng)效率。加強(qiáng)政策支持，通過(guò)新材料、技改專項(xiàng)等資金支持汽車(chē)輕量化新材料的研發(fā)，鼓勵(lì)金融機(jī)構(gòu)加大對(duì)汽車(chē)輕量化新材料項(xiàng)目的信貸支持力度，營(yíng)造有利于輕量化材料創(chuàng)新發(fā)展的氛圍。

加大應(yīng)用市場(chǎng)開(kāi)拓，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。把握汽車(chē)輕量化大趨勢(shì)，積極研發(fā)新產(chǎn)品，找準(zhǔn)產(chǎn)品定位，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，刺激市場(chǎng)需求，搶占更多市場(chǎng)份額，帶動(dòng)汽車(chē)輕量化材料的技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；a(chǎn)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，進(jìn)而促使成本下降，進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)需求。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新控制材料生產(chǎn)制造成本，注重材料的回收利用，提高材料利用率，完善汽車(chē)輕量化材料“材料研發(fā)-原材料生產(chǎn)-零部件制造-整車(chē)集成應(yīng)用-回收再利用”的全產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)汽車(chē)輕量化材料的綠色發(fā)展，拓寬下游應(yīng)用市場(chǎng)。鼓勵(lì)材料企業(yè)在研發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)有汽車(chē)輕量化材料的同時(shí)，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，完善配套服務(wù)，提高后期維護(hù)服務(wù)能力，推動(dòng)輕量化材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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