混合材料及其關(guān)鍵技術(shù)在汽車輕量化的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

劉志民

1 前言

汽車輕量化是解決汽車油耗和排放問題的有效手段，因此，自20世紀90年代以來，歐美許多大型車企與科研機構(gòu)都積極推動汽車輕量化技術(shù)。發(fā)展汽車輕量化主要是從材料、結(jié)構(gòu)、工藝三個方面來實現(xiàn)，其中材料輕量化的效果最顯著[1?3]。

采用強度與鋼材相當(dāng)甚至是更高的輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、碳纖維及其復(fù)合材料，是實現(xiàn)輕量化最直接有效的方法。而在各種輕質(zhì)材料中，鋁合金材料由于成本最低，被認為是汽車輕量化最理想的結(jié)構(gòu)材料，因此，以奧迪為代表車企積極推進全鋁車身，然而鋁合金的成本是鋼材的3.5倍左右，較高的價格導(dǎo)致全鋁車身僅限于豪華車型[4?6]。碳纖維復(fù)合材料和鋁合金相比，具有更高的比強度與比剛度，但是由于其價格昂貴，僅限于飛機上用于代替鋁合金[7?12]。近年來，隨著碳纖維的價格有了明顯降低，考慮碳纖維材料的強度比鋼材高數(shù)倍，寶馬i8/i3為代表的車型大規(guī)模使用碳纖維及其復(fù)合材料。

隨著汽車消費逐步大眾化，汽車輕量化由高端車向中低端車應(yīng)用，低成本的鋼與輕質(zhì)材料混合運用成為新的發(fā)展趨勢；而另一方面，為追求更高的性能，高端車也向輕質(zhì)材料與碳纖維混合材料方向發(fā)展。本文就混合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了調(diào)研，同時探討混合材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究，最后分析了混合材料應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

2 混合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 輕質(zhì)合金-鋼混合材料

從歷年歐洲汽車年會的汽車車身材料運用來看，各大車企傾向于向鋁?鋼混合的方向發(fā)展，如奧迪A8、雷諾Koleos、雪佛蘭Bolt EV、斯巴魯Impreza、雷克薩斯LC、路虎Velar、沃爾沃XC60、本田Accord、寶馬6系GT等車型。以奧迪A8為代表的高端車為例，從早期的全鋁車身，到2017年開始大量運用混合材料，其基本材料為鋁?鋼混合，如圖1所示，以鋁合金為主，以傳統(tǒng)鋼材與熱沖鋼為輔，白車身骨架及車身覆蓋件為鋁合金，其中8塊面板為鋁合金沖壓件，機艙前縱梁、地板加強梁、后縱梁3處為擠壓鋁，前機艙減震塔、后擱板連接、地板座椅接頭等3處采用壓鑄件，而A柱、B柱、門檻梁、頂蓋上邊梁等11處為鋼與熱沖鋼，另外，鎂合金壓鑄件用于前端支撐桿。

圖1 奧迪A8混合材料車身

雪佛蘭BOLT EV為代表中級車，其鋼?鋁混合材料運用是以傳統(tǒng)鋼材、高強鋼、熱沖鋼為主，如圖2所示，鋁合金占車身14%比重，主要是用于車身覆蓋件，白車身骨架以先進高強鋼為主，低強度鋼僅占15%，主要用在頂蓋與側(cè)圍外板件。

圖2 雪佛蘭BOLT EV的混合材料車身

2.2 塑料與鋼混合材料

基于成本考慮，雷諾Koleos、福特Fiesta、標致5008為代表的中低端車混合材料運用，以鋼材為基礎(chǔ)，部分零件采用塑性復(fù)合材料，如前端模塊、車門模塊、尾門、翼子板等。圖3為福特Fiesta前端塑料模塊與車門模塊。

2.3 輕質(zhì)合金與碳纖維混合材料

為追求較高的性能，高端車采用輕質(zhì)合金與碳纖維混合材料的布置，代表車型有奧迪A8、寶馬i3/i8，雷克薩斯LC，圖4為雷克薩斯LC的混合材料分布，其中鋁合金車門總成，碳纖維模塑車2內(nèi)板，相對鋼板車門減重23kg。

圖3 福特Fiesta的塑-鋼混合材料

圖4 雷克薩斯LC的車門混合材料

2.4 先進復(fù)合材料與碳纖維混合

先進復(fù)合材料與碳纖維混合布置的車型較少，圖5為雷克薩斯LC的行李箱蓋總成，其中行李箱外板采用玻纖復(fù)合材料，行李箱內(nèi)板碳纖維，采用這種混合材料設(shè)計相對鋼板結(jié)構(gòu)可減重4.2kg。

圖5 先進復(fù)合材料與碳纖維混合行李箱蓋

2.5 多形態(tài)異性材料混合

多形態(tài)異性材料混合是指形態(tài)不同、性能迥異的材料連接在一起使用，如泡沫材料與板材，軟化材料與硬質(zhì)材料混合使用。圖6為斯巴魯Impreza的懸架處縱梁隔斷采用高剛度發(fā)泡材料，在降低重量的同時可有效提高懸架點剛度。福特Fiesta的B柱，在熱成型之前，整體材料采用TRB板，在B柱下端采用控制冷卻工藝來軟化，而中部采用激光焊接超高強度的增強材料，如圖6所示。

圖6 多形態(tài)異性材料混合

3 混合材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究

異種材料連接技術(shù)對于汽車混合材料工程應(yīng)用來說至關(guān)重要，在多種連接技術(shù)中，攪拌摩擦焊技術(shù)作為一種固相連接技術(shù)，能有效避免熔化帶來的缺陷，相對于自沖鉚、鉆鉚、電阻焊、激光焊，攪拌摩擦焊可靈活地實現(xiàn)點與線連接，且成本不高，不增加重量，因此吸引各大科研院所與車企進行研發(fā)[13?17]。本田公司研究了鋁?鋼攪拌摩擦焊技術(shù)，并成功運用于最新雅閣車型的鋁?鋼混合材質(zhì)副車架連接，取代螺栓連接。美國西北太平洋國家實驗室研究了鋁合金與多種高分子聚合物的攪拌摩擦焊技術(shù)，研究表明，可以實現(xiàn)對高分子聚合物與金屬之間的連接，連接強度為基本強度的50%[18]。基于攪拌摩擦焊技術(shù)在金屬與聚合物連接混合材料的工程應(yīng)用，劉志民等[19]采用有限元模擬方法研究了碳纖維增強復(fù)合材料CFRP與AZ31B鎂合金混合板料的熱沖壓性能，模擬結(jié)果表明，通過伺服柔性熱沖壓技術(shù)可實現(xiàn)B柱的成型，最佳成型溫度為523?548K，如圖7所示。

圖7 CFRP與AZ31B鎂合金混合板的B柱熱沖壓性能

武漢理工大學(xué)制備并研究了CFRP包覆鋼管的混合管材力學(xué)性能[20]，實驗表明，這種新結(jié)構(gòu)材料，可使得材料的平均應(yīng)變失效率由85%減小至6%，抗拉強度提高16.7%，延伸率提高183%。湖南大學(xué)提出一種內(nèi)嵌碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的汽車鋁合金前縱梁結(jié)構(gòu)[21]，如圖8所示。研究了內(nèi)嵌CFRP對鋁合金前縱梁吸能特性的影響，研究表明，CFRP可顯著改善汽車鋁合金前縱梁的吸能特性，比吸能和碰撞力效率最大值分別提高32%和35%。

圖8 鋁合金前縱梁與CFRP層合板裝配形式

4 混合材料輕量化的發(fā)展趨勢

基于性能與成本的考慮，多材料混合的車身開發(fā)是未來汽車車身輕量化技術(shù)發(fā)展的主流：

（1）輕質(zhì)金屬與鋼混合，以鋁?鋼材料混合為主，鋁與鋼的比重決定中端與高端車型應(yīng)用；

（2）輕質(zhì)金屬與碳纖維混合，以鋁?碳纖維復(fù)合材料為主，適用于高端車型；

（3）塑料與鋼的混合，將繼續(xù)在中低端車型中應(yīng)用；

（4）多形態(tài)異性材料混合將成為新的發(fā)展方向，而其連接技術(shù)研發(fā)是其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

[1]王欣,張冬暉.新能源汽車中的新材料應(yīng)用探討[J].科技與創(chuàng)新,2014(16)：27?27．

[2]唐見茂.新能源汽車輕量化材料[J].新型工業(yè)化,2016,6(1)：1?14．

[3]程一卿,莫凡,彭亞南.新能源汽車發(fā)展態(tài)勢及其輕量化[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2016,13(12)：41?45．

[4]王祝堂.開發(fā)有特色的汽車鋁合金及其沖擠件[J].輕合金加工技術(shù),2016,(9):1?5.

[5]馬鳴圖,李潔,趙巖等.汽車用金屬材料在高應(yīng)變速率下響應(yīng)特性的研究進展[J].機械工程材料,2017,9:1?14.

[6]馬鳴圖,馬露霞.鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用及其前瞻技術(shù)[J].新材料產(chǎn)業(yè),2008(9):43?50.

[7]肖志,杜慶勇,莫富灝等.連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料汽車頂蓋鋪層優(yōu)化[J].汽車工程,2017,39（6）:722?728.

[8]GAO Yihang,SHI Yuhong,WANG Kunpeng,et al.High?temperature mechanical properties of carbon fiber reinforced polyimide resin matrix composites MT300/KH420(I)—Tensile and interlaminar shear properties[J]Acta Materiae Compositae Sinica,2016,33(6):1206?1213.

[9]K.Friedrich.Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composites for Future Automotive Applications[C].AIP Conference Proceedings,2016,1736:020001?020004.

[10]V.Koncherry,P.Potluri A.Fernando.Multifunctional Carbon Fibre Tapes for Automotive Composites[C].Appl Compos Mater,2017,24:477-493

[11]Fanran Meng,Jon McKechnie,Thomas Turner et al.Environmental Aspects of Use of Recycled Carbon Fiber Composites in Automotive Applications[J].Environ.Sci.Technol.2017,51,12727?12736.

[12]A.Pramanik,A.K.Basak,Y.Dong et al.Joining of carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composites and aluminium alloys-A review[J].Composites,2017,Part A 101:1-29.

[13]Ranvijay Kumara,Rupinder Singha,I.P.S.Ahujab et al.Weldability of thermoplastic materials for friction stir welding?A state of art review and future applications[J].Composites 2018,Part B 137:1?15.

[14]Xiaocong He,Fengshou Gu,Andrew Ball.A review of numerical analysis of friction stir welding[J].Progress in Materials Science 65(2014)1-66.

[15]Gurunath Shindea,Sameer Gajghate,Dr.P.S.Dabeer,et al.Low Cost Friction Stir Welding:A Review[C].Materials Today:Proceedings 4,2017:8901-8910.

[16]Panneerselvam K,Lenin K.Joining of Nylon 6 plate by friction stir welding process using threaded pin profile.Mater Des 2014,53:302-307.

[17]Paoletti A,Lambiase F,Di Ilio A.Optimization of friction stir welding of thermoplastics.Procedia CIRP 2015,33:562-7.

[18]Piyush Upadhyay,Yuri Hovanski,Leonard S.Fifield et al.FRICTION STIR LAP WELDING OF ALUMINUM?POLYMER USING SCRIBE TECHNOLOGY[J].Friction Stir Welding and Processing VIII,2015,153?161.

[19]Zhimin LIU*,Yuanmeng HU,Jingchen HUO,et al.OPTIMIZATION RESEARCH ON HOT?STAMPING OF TAILORED BLANK OF MAGNESIUM?POLYMER B PILLAR[C].APAC 2017,1872?1876.

[20]Li Na,Lu Yiyan,Li Shan et al.Slenderness effects on concrete?filled steel tube columns confined with CFRP[J].Journal of Constructional Steel Research,2018,143:110-118.

[21]姚威,宋凱,吳永強等.一種內(nèi)嵌CFRP的汽車鋁合金前縱梁吸能特性研究[J].汽車工程,2017,（39）12:1390?1396.