國外汽車輕量化材料應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)借鑒

馬琳 耿雷

近年來，隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展以及人們生活水平的提高，汽車保有量急劇增加，對能源的依存度也越來越高，節(jié)能和環(huán)保已經(jīng)成為世界汽車工業(yè)目前發(fā)展面臨的2大難題。研究表明，降低汽車重量能夠有效降低油耗以及排放，整車質(zhì)量每下降10%，油耗下降6%～8%，排放下降4%～10%，輕量化已經(jīng)成為汽車工業(yè)的一個重要發(fā)展方向，新材料的應(yīng)用則被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)汽車“減重”的關(guān)鍵。德國、美國、日本等汽車制造大國紛紛加強(qiáng)輕量化材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了較好效果。相比之下，我國汽車在輕量化材料應(yīng)用方面與國外先進(jìn)水平相比存在較大差距，如鋁及鋼用量約是國際先進(jìn)水平的一半左右，鎂合金用量則是歐洲先進(jìn)水平的1/10左右。因此深入研究發(fā)達(dá)國家在汽車輕量化材料應(yīng)用方面的成功經(jīng)驗(yàn)，可以給我國的汽車輕量化材料推廣應(yīng)用帶來很多啟示。

1 輕量化已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢

1.1 各國紛紛收緊汽車能耗及排放政策

能源與環(huán)境危機(jī)加速了各國政府對汽車能耗和排放的嚴(yán)格控制，日本從1966年就開始加強(qiáng)對汽車排放的控制，其2005年開始實(shí)施的長期限制標(biāo)準(zhǔn)被譽(yù)為世界上最嚴(yán)格的尾氣限制標(biāo)準(zhǔn)。2009年5月，美國奧巴馬政府也宣布了限制汽車溫室氣體排放和油耗的新法規(guī)，要求在2016年新車平均燃油經(jīng)濟(jì)性要在2007年水平基礎(chǔ)上提高42%。此外，韓國也計(jì)劃于2020年繼續(xù)收緊對于汽車排放的控制法規(guī)。輕量化設(shè)計(jì)將成為目前改善汽車能耗和排放的必要途徑之一。詳見表1所示。

1.2 各國政府高度重視汽車輕量化技術(shù)研究

美國政府早在1993年就提出了新一代汽車合作計(jì)劃（PNGV），其中整車輕量化應(yīng)用技術(shù)是其中主要的技術(shù)路線，2002年又提出了自由合作汽車研究（CAR）計(jì)劃，輕量化也是核心的技術(shù)路線之一。2005年歐盟第六框架計(jì)劃之下也開展了超輕車身聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目（SuperLIGHT—CAR）研發(fā)項(xiàng)目，目的是減少轎車質(zhì)量、節(jié)約燃油和減少CO2排放，實(shí)現(xiàn)車身減重30%。此外，世界鋼鐵聯(lián)盟也先后開展了超輕量化鋼汽車車身項(xiàng)目、超輕量化鋼先進(jìn)汽車項(xiàng)目等，加強(qiáng)汽車輕量化相關(guān)技術(shù)攻關(guān)。

1.3 汽車輕量化材料應(yīng)用逐年提升

隨著各國對汽車輕量化的重視程度不斷提高，輕量化材料應(yīng)用比例呈現(xiàn)逐年上升的發(fā)展趨勢，目前全球車企使用較多的輕量化新材料主要包括碳纖維、鋁合金、鎂合金、工程塑料等。德國、美國、日本是目前全球汽車輕量化材料使用比例相對較高的國家，其中德國的汽車輕量化材料應(yīng)用占比達(dá)25%左右，是全球使用比例最高的國家，詳見表2所示。

2 國外汽車輕量化材料應(yīng)用的主要做法

2.1 政府引導(dǎo)有力

出臺多項(xiàng)政策措施。目前美國、德國、日本等國際汽車強(qiáng)國都紛紛出臺了相關(guān)政策扶持、引導(dǎo)汽車輕量化應(yīng)用，并且從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、財(cái)稅政策、科技計(jì)劃等多方面出臺多項(xiàng)政策措施，倒逼汽車輕量化材料應(yīng)用快速發(fā)展，詳見表3所示。

明確發(fā)展目標(biāo)和技術(shù)路線圖。目前美、日、歐、韓等國都針對汽車輕量化提出了明確的發(fā)展指標(biāo)和技術(shù)路線，如美國不僅提出了整車輕量化的目標(biāo)，并且針對這個目標(biāo)對包括車身系統(tǒng)、底盤、動力總成在內(nèi)的整個組成系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)拆分，同時重點(diǎn)關(guān)注高強(qiáng)鋼、鋁、鎂、鈦合金鎳合金、復(fù)合材料等汽車輕量化材料，詳見表4所示。日本則重點(diǎn)關(guān)注鋼鐵、非鐵金屬（鋁、鎂等）、樹脂/復(fù)合材料等材料，及其加工技術(shù)和連接技術(shù)，并提出明確的輕量化目標(biāo)。

2.2 加強(qiáng)多部門的協(xié)同創(chuàng)新

目前世界各國都高度關(guān)注輕量化材料及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在推動模式上，不僅有政府的強(qiáng)力推動，同時注重各方的協(xié)同，在共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)上，一般都是采用政府支持、社會組織協(xié)調(diào)、產(chǎn)學(xué)研共同參與的模式，鼓勵和支持跨產(chǎn)業(yè)合作，利用研發(fā)計(jì)劃、科技計(jì)劃等方式給予支持，推動構(gòu)建“企業(yè)+高校+研究機(jī)構(gòu)”的產(chǎn)業(yè)組織體系。

為支持輕量化材料發(fā)展，美國還成立了“面向未來輕量化創(chuàng)新中心”，目前創(chuàng)新中心的會員單位已經(jīng)超過200家，涵蓋了研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)、制造企業(yè)、社區(qū)學(xué)院、非盈利機(jī)構(gòu)等產(chǎn)學(xué)研各方，有利于集中資金、人才、設(shè)備等各類資源，開展多方協(xié)同創(chuàng)新。

日本、德國輕量化材料的研發(fā)項(xiàng)目雖然大多數(shù)都是由企業(yè)自己執(zhí)行，但是政府充分發(fā)揮推動作用，通過經(jīng)費(fèi)投入、組織協(xié)調(diào)、政策保障等方式組織各方創(chuàng)新力量協(xié)同，形成各創(chuàng)新主體分工明確而又協(xié)同有序的發(fā)展形勢。

2.3 重視專利的戰(zhàn)略布局

從全球汽車輕量化技術(shù)專利來看，日本、德國、美國的專利占比約占全球?qū)＠偭康?0%左右，其中核心專利達(dá)到80%以上。企業(yè)分布以車企為主，同時還包括鋼鐵制造、化學(xué)制品、電子產(chǎn)品、橡膠等生產(chǎn)企業(yè)。不同的企業(yè)針對各自的研發(fā)方向各有側(cè)重，并且圍繞其核心專利進(jìn)行全球化布局。全球主要車企的輕量化材料專利布局重點(diǎn)詳見表5所示。

2.4 優(yōu)先選擇豪華車和新能源車

成本高是制約汽車輕量化材料應(yīng)用的一個主要瓶頸。一是研發(fā)成本高，汽車輕量化材料的研發(fā)投入大、周期長、風(fēng)險高。二是材料成本高，高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維等輕量化材料相比傳統(tǒng)的鑄鐵、鋼材等價格較高。三是車企制造成本高，新材料的使用需要車企更換新的、與材料性能相適應(yīng)的模具、生產(chǎn)線和設(shè)備等，帶來企業(yè)生產(chǎn)成本增加。四是后期維護(hù)成本高，受制于鋁合金、碳纖維等材料屬性，發(fā)生事故車身受損后維修成本很高。為應(yīng)對成本高問題，目前國外車企在輕量化材料的應(yīng)用上優(yōu)先選擇對成本不敏感的豪華車和新能源車，以推動輕量化材料的應(yīng)用推廣。

豪華車由于對成本的敏感度較低，更加注重速度和性能，已經(jīng)成為輕量化材料的應(yīng)用重點(diǎn)。自2011年寶馬發(fā)布由復(fù)合材料制造的BMW i子品牌，就開啟了豪華車“輕量化”時代，目前寶馬、奔馳、奧迪、保時捷、法拉利等豪華跑車和高端車品牌紛紛在部分車型上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的輕量化材料應(yīng)用（表6）。

新能源車也是輕量化材料大規(guī)模應(yīng)用的一個重點(diǎn)方向，一方面輕量化材料應(yīng)用對提升新能源車電池續(xù)航里程的作用優(yōu)勢明顯，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，整車質(zhì)量減少10%，單次充電的行駛里程增加5.5%，另一方面部分新能源車屬于新車型，不存在傳統(tǒng)車型模具的成本支出，能夠有效降低輕量化材料的使用成本。如特斯拉的Model S和Model X均采用了全鋁車身，即約90%的機(jī)構(gòu)件均使用鋁合金，降重效果十分明顯。

2.5 注重多種材料的綜合優(yōu)化應(yīng)用

鋁合金由于在汽車上使用較早，工藝相對成熟，是很多車企首選的輕量化材料，并致力于打造全鋁車身。但隨著眾多新材料的不斷涌現(xiàn)，對汽車零部件的選材也有了更大的選擇空間，單一材料已經(jīng)難以同時滿足汽車零部件輕量化、工藝性、安全性、低成本等多種要求。因此國外車企在滿足汽車零部件基本性能要求的前提下，更加傾向于“多材料組合”和“合適的材料用于合適的部位”，如新一代奧迪A8豪華車型已經(jīng)正式放棄全鋁車身，回歸選用鋼鐵材料，特斯拉Model 3為降低成本，也放棄全鋁車身，選擇了鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)，多種材料綜合優(yōu)化應(yīng)用逐漸成為世界各國發(fā)展汽車輕量化的主要方向。

北美地區(qū)以年均5.6%的復(fù)合增長率成為全球最大的汽車輕量化材料市場，其輕量化材料的應(yīng)用也呈現(xiàn)多種材料綜合應(yīng)用的發(fā)展趨勢，除了傳統(tǒng)的鋼鐵、鑄鐵等材料的應(yīng)用比例有所下降外，鋁、其他金屬、塑料等輕量化材料呈現(xiàn)逐漸上升的發(fā)展趨勢。圖1展示了1975—2025年北美地區(qū)汽車輕量化材料應(yīng)用比例變化。

3 對我國汽車輕量化材料應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)借鑒

3.1 加強(qiáng)政策扶持和引導(dǎo)

一是充分發(fā)揮現(xiàn)有政策的引導(dǎo)作用，利用現(xiàn)有新材料生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺、檢驗(yàn)檢測平臺、首批次保險、新材料專項(xiàng)、重大科技專項(xiàng)等，加大對汽車輕量化材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的引導(dǎo)。二是從控制溫室氣體排放、提高燃油稅和重量稅、加大研發(fā)投入等多方面進(jìn)一步完善輕量化材料的扶持政策體系，尤其在稅收、消費(fèi)等環(huán)節(jié)加強(qiáng)針對輕量化汽車的鼓勵政策，倒逼企業(yè)加大汽車輕量化材料的應(yīng)用。三是加大對輕量化材料的財(cái)政支持力度，通過貼息貸款、補(bǔ)助等方式，對重點(diǎn)輕量化材料領(lǐng)域開發(fā)的市場前景好、技術(shù)成熟度高、易于產(chǎn)業(yè)化的項(xiàng)目進(jìn)行重點(diǎn)扶持，加大推廣應(yīng)用力度。四是盡快完善汽車工業(yè)的材料標(biāo)準(zhǔn)體系，對一些長期沒有修訂、與輕量化汽車市場需求不相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，加快制定高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、塑料、碳纖維等汽車新材料及零部件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 強(qiáng)化協(xié)同創(chuàng)新

一是組織科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)、汽車制造企業(yè)、材料生產(chǎn)企業(yè)等組建國家級輕量化材料創(chuàng)新中心，重點(diǎn)解決我國目前輕量化材料應(yīng)用比例偏低、關(guān)鍵核心技術(shù)基礎(chǔ)不牢、創(chuàng)新載體分散、創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化不暢等核心問題，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新資源整合，推動知識、資本、人才的靈活流動和合理配置，重點(diǎn)加強(qiáng)整車設(shè)計(jì)優(yōu)化和評價技術(shù)、零部件設(shè)計(jì)和評價技術(shù)、新材料開發(fā)和成型技術(shù)、連接技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化。二是充分發(fā)揮企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新決策、研發(fā)投入、科研組織和成果轉(zhuǎn)化中的主體作用，加快構(gòu)建以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合創(chuàng)新機(jī)制。三是鼓勵產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作，加強(qiáng)材料生產(chǎn)企業(yè)與汽車制造企業(yè)之間的合作，通過建立聯(lián)盟、開展產(chǎn)業(yè)對接會等形式，打通上下游產(chǎn)業(yè)通道。

3.3 開展應(yīng)用示范

一是整合相關(guān)政策資源，在全國范圍內(nèi)選擇技術(shù)較為成熟、人才資源豐富、市場基礎(chǔ)好的車企進(jìn)行先行先試，并根據(jù)市場情況進(jìn)行推廣，示范過程中加快制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，形成可以復(fù)制的經(jīng)驗(yàn)。二是充分發(fā)揮我國作為全球最大的新能源汽車市場優(yōu)勢，優(yōu)先選擇技術(shù)較為成熟的新能源車型開展示范，通過貼息、消費(fèi)補(bǔ)貼等形式進(jìn)行扶持。三是鼓勵地方政府針對當(dāng)?shù)匕l(fā)展現(xiàn)狀，篩選有實(shí)力的企業(yè)開展應(yīng)用示范，并進(jìn)行相關(guān)扶持。

3.4 重視專利的質(zhì)量提升和前瞻性布局

一是通過開展專利講座、專利申請前評估、細(xì)化鼓勵政策等措施，引導(dǎo)企業(yè)、科研院所等強(qiáng)化對高質(zhì)量專利的重視程度，提升我國輕量化專利質(zhì)量和水平，尤其是核心專利的占比。二是引導(dǎo)實(shí)力較強(qiáng)的生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合科研院所加強(qiáng)對專利的前瞻性布局，尤其在材料研發(fā)、車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)、成型焊接工藝等國內(nèi)較為薄弱的領(lǐng)域進(jìn)行全球性專利布局。三是加強(qiáng)對全球輕量化核心專利的系統(tǒng)性研究，尤其是美國、日本、德國輕量化材料專利的發(fā)展趨勢，了解其專利申請保護(hù)的策略，預(yù)判技術(shù)發(fā)展趨勢，開展專利分析預(yù)警工作，為我國未來汽車輕量化戰(zhàn)略布局提供借鑒。