大力開發(fā)汽車輕量化材料

曾昆

近年來，節(jié)能減排和綠色發(fā)展一直是學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界和政府關(guān)注的重點(diǎn)。飛速發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)是能耗和碳排放大戶，因而推動(dòng)汽車輕量化發(fā)展成為必然趨勢(shì)。在降低油耗和減少排放的要求下，減少交通運(yùn)輸工具自身重量是最有效措施之一。而交通運(yùn)輸工具減重就是在保證交通運(yùn)輸工具強(qiáng)度和安全性前提下，盡可能降低交通運(yùn)輸工具整備質(zhì)量，從而提高其動(dòng)力性，減少能耗和污染物排放。

目前，汽車輕量化的途徑主要有三個(gè)：一是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，二是使用輕量化材料，三是應(yīng)用先進(jìn)制造工藝。其中，輕量化材料是為了達(dá)到輕量化目的而采用的更低密度和更高強(qiáng)度的材料。

在節(jié)能減排大趨勢(shì)下，許多國(guó)家政府制定了輕量化發(fā)展規(guī)劃，不斷提高燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)和二氧化碳減排的要求，鼓勵(lì)汽車廠商加大輕量化車型的研發(fā)，擴(kuò)大輕量化材料應(yīng)用。2014年，美國(guó)從國(guó)家層面成立了“面向未來輕量化創(chuàng)新中心”。未來十年，歐洲車企的目標(biāo)是進(jìn)一步減輕車身重量，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)減重20%目標(biāo)。2015年豐田發(fā)布“豐田環(huán)境挑戰(zhàn)2050”戰(zhàn)略，其中涉及汽車輕量化領(lǐng)域的技術(shù)革新。日產(chǎn)公司的目標(biāo)是從2014年開始，汽車質(zhì)量每年減少3.4%-3.8%，到2020年減少20%-30%。

就我國(guó)而言，汽車行業(yè)起步較晚，汽車輕量化發(fā)展時(shí)間短，輕量化制造工藝和相關(guān)技術(shù)、輕量化材料研發(fā)和應(yīng)用等與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有一定差距。但在節(jié)能減排和綠色發(fā)展的要求下，隨著我國(guó)汽車保有量的日益增加，政府對(duì)汽車燃料消耗和排放的要求越來越高，倒逼汽車輕量化發(fā)展，帶動(dòng)了我國(guó)輕量化材料的快速發(fā)展。

目前，我國(guó)從政府到企業(yè)在輕量化材料研發(fā)方面投入了大量的人力、物力和財(cái)力，涌現(xiàn)了一批研究成果，推動(dòng)了輕量化材料的技術(shù)進(jìn)步。在國(guó)家政策的鼓勵(lì)下，我國(guó)汽車企業(yè)一直進(jìn)行輕量化技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，在輕量化材料應(yīng)用上取得了積極的進(jìn)展，上汽、長(zhǎng)安汽車等車企輕合金材料應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。

就發(fā)展趨勢(shì)而言，輕量化材料的發(fā)展方向和趨勢(shì)與汽車發(fā)展方向和趨勢(shì)密不可分，未來，汽車發(fā)展呈現(xiàn)低碳化、信息化與智能化三大發(fā)展趨勢(shì)。低碳化要求汽車通過改變?nèi)紵绞?、使用替代燃料、提高混合度、車身及零部件輕量化等方式減少能源消耗，降低排放。信息化是通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、V2V、V2X等新一代通訊技術(shù)提高車聯(lián)網(wǎng)水平，滿足用戶的信息獲取需求。智能化是利用大數(shù)據(jù)與機(jī)器智能等實(shí)現(xiàn)ADAS與無人駕駛，將駕駛員解放出來，提高駕駛的安全性。

為滿足汽車低碳化發(fā)展要求，各種輕量化材料的性能將進(jìn)一步優(yōu)化，成本進(jìn)一步降低，材料選擇將更加多元化。2016年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》顯示，未來我國(guó)汽車輕量化發(fā)展大致經(jīng)歷三個(gè)階段，不同階段輕量化材料呈現(xiàn)不同的發(fā)展趨勢(shì)。

第一，高強(qiáng)鋼占據(jù)主導(dǎo)地位，應(yīng)用比例達(dá)到50%以上。第一階段為2016年至2020年，實(shí)現(xiàn)整車比2015年減重10%。這一階段重點(diǎn)發(fā)展超高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼技術(shù)，包括材料性能開發(fā)、輕量化設(shè)計(jì)方法、成型技術(shù)、焊接工藝、測(cè)試評(píng)價(jià)方法等，開展鋁合金板材沖壓制作技術(shù)研發(fā)并在車身得以實(shí)踐，研發(fā)不同材料的連接技術(shù)；適當(dāng)應(yīng)用鋁合金、鎂合金和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。到2020年，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼在汽車應(yīng)用比例達(dá)到50%以上，單車用鋁量達(dá)到190公斤，單車用鎂量達(dá)到15公斤，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成本比2015年降低50%，使用量有所擴(kuò)大。

第二，鋼鋁多種材料混用，單車用鋁量大幅增加。第二階段為2021年至2025年，實(shí)現(xiàn)整車比2015年減重20%。這一階段重點(diǎn)發(fā)展第三代汽車鋼和鋁合金技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼鋁多種材料混合車身，全鋁車身大范圍應(yīng)用，鋁合金覆蓋件和鋁合金零部件的批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，同時(shí)加大對(duì)鎂合金和碳纖維復(fù)合材料零部件生產(chǎn)制造技術(shù)的開發(fā)，增加鎂合金和碳纖維零部件的應(yīng)用比例。到2025年，實(shí)現(xiàn)第三代汽車鋼應(yīng)用比例達(dá)到白車身重量的30%，單車用鋁量超過250公斤，單車用鎂量達(dá)到25公斤，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成本比第一階段降低50%，使用量占車重的2%。

第三，鎂合金和碳纖維復(fù)合材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，實(shí)現(xiàn)大范圍應(yīng)用。第三階段為2026年至2030年，實(shí)現(xiàn)整車比2015年減重35%，重點(diǎn)發(fā)展鎂合金和碳纖維復(fù)合材料技術(shù)，解決鎂合金及復(fù)合材料循環(huán)再利用問題，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料混合車身及碳纖維零部件的大范圍應(yīng)用，突破復(fù)雜零件成型技術(shù)和異種零件連接技術(shù)。到2030年，2000MPa級(jí)以上鋼材有一定應(yīng)用比例，單車用鋁量超過350公斤，單車用鎂量達(dá)到45公斤，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成本較第二階段降低50%，使用量占車重5%。