汽車各類輕量化新材料工藝的發(fā)展與應(yīng)用

雷新春

摘 要：汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排的重要技術(shù)措施之一。本文以分析汽車輕量化材料為切入點(diǎn)，分別對(duì)鋼鐵、鋁及其合金、鎂材料、塑代鋼、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等在汽車中的應(yīng)用進(jìn)行分析，并對(duì)各種材料工藝的應(yīng)用前景加以論述。為人們了解當(dāng)前及今后汽車制造業(yè)材料應(yīng)用發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：輕量化;新材料;汽車;應(yīng)用

減少汽車燃料消耗以及降低。汽車排放對(duì)環(huán)境的污染已經(jīng)成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展所急需解決的主要問題。輕量化技術(shù)一直是汽車工業(yè)發(fā)展的重要性內(nèi)容，汽車自重的減輕也是有效降低汽車排放、提升汽車燃燒效率的重要前提。一些研究報(bào)告中指出，當(dāng)汽車重量每降低10%，汽車的油耗便可以降低約6%～8%，汽車的排放能夠減少約4%[1]。為適應(yīng)和滿足汽車未來發(fā)展需要，輕量化已經(jīng)是目前世界汽車材料發(fā)展的重要方向。本文將就汽車輕量化材料的發(fā)展現(xiàn)狀和工藝應(yīng)用進(jìn)行論述。

1 鋼鐵材料的主體地位

在汽車工業(yè)發(fā)展的歷程中，鋼鐵一直扮演著非常重要的角色。目前，汽車材料中，鋼鐵材料的占比仍相對(duì)穩(wěn)定，不過鋼鐵材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻發(fā)生了重大變化。主要的變化就是高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的使用比例逐年提升，強(qiáng)度處于中、低等的鋼材比例逐年降低。高強(qiáng)度鋼是一種具有很大競爭力的汽車輕量化新材料，與其他材料相比在耐蝕性能、抗碰撞性能以及成本等方面具有很大的優(yōu)勢。

2 鋁及其合金材料應(yīng)用范圍繼續(xù)擴(kuò)大

鋁是應(yīng)用較早且技術(shù)日趨成熟的輕量化材料，它在汽車中的用量呈現(xiàn)不斷增長的趨勢。汽車中應(yīng)用的鋁主要以鋁鑄件為主，約占汽車用鋁量的80%。目前，在汽車輕量化的帶動(dòng)下，鋁合金及其應(yīng)用技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。各大汽車廠商不斷推出了采用全鋁車身以及鋁密集型的新款汽車，這些新車中鋁的用量不斷增加。例如，福特P2000鋁的比例達(dá)到了37%[1-2]。而全新的奧迪A8轎車通過采用性能優(yōu)異的大型鋁鑄件和液壓成型部件，從而使汽車車身零件的數(shù)量從50個(gè)減少到29個(gè)，且車身框架完全閉合。這種車身結(jié)構(gòu)不僅可以使車身的扭轉(zhuǎn)剛度提高60%，還能夠比同類車型的鋼制車身車重減少50%。目前，鋁在汽車中的應(yīng)用正朝車身零件及結(jié)構(gòu)件的方向發(fā)展，其應(yīng)用范圍將會(huì)不斷擴(kuò)展，成為僅次于鋼的第二大汽車材料。

3 鎂材料的應(yīng)用快速增長

鎂是比鋁更輕的一種輕金屬材料，它能夠在鋁減輕質(zhì)量的基礎(chǔ)上再減輕15%-20%。在汽車輕量化的推動(dòng)下，鎂在汽車中的應(yīng)用已經(jīng)成為汽車材料領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向目前，車用鎂材料在汽車中的應(yīng)用正以年均20%的增長速度迅猛發(fā)展[2-3]。目前，采用鎂合金制造汽車底盤、車身、轉(zhuǎn)向盤、座椅骨架、各種支架、儀表板骨架、進(jìn)氣歧管等汽車零部件已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。而鎂在汽車中應(yīng)用的下一個(gè)目標(biāo)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)的零部件，各大汽車廠商均加大了對(duì)鎂合金在發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)零部件上的研發(fā)。

但是，鎂在汽車中的大量應(yīng)用還需解決一些現(xiàn)有不足和問題。例如，對(duì)車用鎂材料的特性缺乏深層次的理解、欠缺車用鎂材料的很多性能數(shù)據(jù)、車用鎂零部件的防蝕技術(shù)有待提高、汽車鎂零部件的設(shè)計(jì)以及使用經(jīng)驗(yàn)存在不足等。

4 汽車材料以塑代鋼和汽車塑料應(yīng)用

從現(xiàn)代汽車使用的材料來看，工程塑料不僅應(yīng)用于汽車內(nèi)外飾件，而且可應(yīng)用于部分功能和結(jié)構(gòu)件。近年來應(yīng)輕量化大勢所趨，各汽車制造商不斷研發(fā)出輕量化的車型，汽車上的塑料使用量大幅提升。例如德國寶馬公司生產(chǎn)的BMWi3系列汽車實(shí)現(xiàn)了純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，汽車的外殼采用塑料，底盤主要為鋁合金，相較此類傳統(tǒng)車型，汽車重量減少了250～350kg。我國的自主品牌汽車中，CA720紅旗轎車上使用的塑料重量為88.33kg，上汽大眾桑塔納的塑料用量為67.2kg，一汽奧迪塑料用量為89.98kg。當(dāng)前，汽車郵箱、發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)蓋等材料也多用塑料[3]。

與零部件材料相似的是，汽車內(nèi)飾新材料的發(fā)展也促進(jìn)了汽車塑料化的發(fā)展進(jìn)程。聚丙烯（PP）以其輕質(zhì)、成型性好和可回收利用等特點(diǎn)和優(yōu)勢，已經(jīng)是目前汽車塑料中應(yīng)用最廣的品類，在歐美、日韓國家的汽車塑料用量中均處于首要位置。聚丙烯（PP）的密度較小、耐熱性能強(qiáng)、成型性能好且耐受化學(xué)腐蝕，特別是最近幾年來，汽車材料發(fā)展方向以合金化、復(fù)合、動(dòng)態(tài)硫化等聚丙烯改性技術(shù)為主，具備優(yōu)異性能的聚丙烯不斷研發(fā)出來，改性聚丙烯是當(dāng)前十分重要的新型結(jié)構(gòu)材料，在汽車工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛。

5 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成為熱點(diǎn)和亮點(diǎn)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其優(yōu)異的力學(xué)性能成為汽車新材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)和亮點(diǎn)。低成本碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料和天然纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料將是未來推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代和變革的重要材料。以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造的車窗、車門、車輪、骨架乃至全塑汽車已逐步出現(xiàn)，成為汽車材料“以塑代鋼”的重要推手[4]。

由于碳纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能，很好的耐熱性，較好的導(dǎo)電性和電磁屏蔽性能等，因此在許多高新技術(shù)領(lǐng)域及民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在汽車輕量化先進(jìn)設(shè)計(jì)制造中具有十分明顯的優(yōu)勢。車用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的密度一般為1.5～2.0g/cm3，只有普通碳鋼材的1/4～1/5左右，比鋁合金還要輕1/3左右。然而，碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能十分優(yōu)異，其抗拉強(qiáng)度比鋼材高3～4倍，剛度比鋼材高2～3倍，復(fù)合材料的耐疲勞性比鋼材高2倍左右，重量比鋼材輕30%40%，熱膨脹系數(shù)小40%～50%。

6 其他材料和工藝在汽車輕量化中的應(yīng)用

6.1 鈦合金

鈦合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在汽車工業(yè)輕質(zhì)金屬材料中占據(jù)十分重要地位，鈦合金的強(qiáng)度與合金鋼相似。與此同時(shí)，鈦合金具備的優(yōu)越性能可以支持其在很多惡劣條件下保持自身特點(diǎn)，在很多惡劣條件下，鋁、鎂合金材料一般是難以滿足汽車制造商的需求。不過，鈦合金的價(jià)格昂貴，加工工藝復(fù)雜，極在商用汽車中應(yīng)用有限。近些年，價(jià)格相對(duì)低廉的鈦合金材料不斷被研發(fā)出來，通過不斷改進(jìn)鈦合金材料的加工工藝，有效降低了其制造加工成本，一定程度上促進(jìn)了鈦合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。

隨著制造成本的降低，很多汽車廠商已經(jīng)成功將鈦合金材料應(yīng)用于批量生產(chǎn)的商業(yè)化轎車上。鈦合金材料主要用于汽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車底盤零件，鈦合金零部件具備的出色性能，使得發(fā)達(dá)國家每年用量不斷升高，而鈦合金制造和加工技術(shù)不斷發(fā)展的今天，其生產(chǎn)和加工成本逐年降低，今后一段時(shí)間，鈦合金材料制造的零部件將在汽車上發(fā)揮更多作用。

6.2 泡沫材料

泡沫材料是一種新型的汽車輕量化材料，一般可以分為金屬泡沫料（如泡沫鋁）和非金屬泡沫材料（如泡沫塑料）兩大類。泡沫材料不僅可以減輕汽車零部

件的質(zhì)量，同時(shí)還具有隔熱、降噪、減振、吸能以及良好的剛度與抗壓縮等性能。因此，在汽車輕量化材料中，泡沫材料已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。

6.3 不銹鋼

不銹鋼在汽車中的應(yīng)用已經(jīng)有很長的歷史，但是不銹鋼作為汽車輕量化材料應(yīng)用于汽車的結(jié)構(gòu)零件是最近幾年才開始研發(fā)的。一般認(rèn)為，具有輕量化潛力的不銹鋼主要是高強(qiáng)度不銹鋼，比如ASI200和AIS300系列高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼。目前，高性能的不銹鋼已經(jīng)用于制造汽車保險(xiǎn)杠、前側(cè)防撞弓形梁、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、后擋板等汽車零部件。采用高性能不銹鋼可以使汽車零部件的質(zhì)量降低30%左右。但是，不銹鋼高昂的生產(chǎn)成本，嚴(yán)重制約了不銹鋼在汽車中的應(yīng)用。目前，降低不銹鋼的生產(chǎn)及使用成本主要有兩個(gè)途徑：一是開發(fā)價(jià)格低廉的不銹鋼材料;二是優(yōu)化不銹鋼汽車零部件的設(shè)計(jì)與加工工藝。

6.4 生物塑料

生物塑料是利用可再生資源（如玉米和其他農(nóng)作物）制造出的生物材料，因其具有生物降解性而越來越受到重視。豐田汽車公司正在利用含淀粉豐富的甜土豆（淀粉含量比玉米高40%～50%）開發(fā)用于汽車部件的生物塑料[5]。該公司采用 Enzymes工藝從土豆中提取淀粉，然后將淀粉分解成葡萄糖，最后將葡萄糖發(fā)酵變成乳酸后聚合成聚乳酸。豐田汽車公司再將聚乳酸制成商品名為“Eco- Plastic”的生物塑料，并于2003年首次商業(yè)化應(yīng)用于汽車日本的 Toray公司用 Ecodear植物來源的乳酸纖維制作的汽車座椅面料手感光滑柔軟。在英國，生物塑料生產(chǎn)商 Net Composites公司已經(jīng)從政府那里獲得開發(fā)用于汽車結(jié)構(gòu)部件的高性能植物基塑料的基金。該公司計(jì)劃將生產(chǎn)的生物塑料用來制備車門、駕駛室頂和頂棚等零部件。

7 結(jié)語

汽車工業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)，近年來取得了飛速的發(fā)展。汽車工業(yè)在快速發(fā)展的同時(shí)，也面臨著環(huán)境污染，資源匱乏以及安全問題。汽車節(jié)能、環(huán)保、安全不僅是國際汽車工業(yè)的發(fā)展方向，也是我國汽車產(chǎn)業(yè)政策的要求。國內(nèi)外汽車新材料的發(fā)展與應(yīng)用已取得顯著成效，并在汽車輕量化中發(fā)揮著愈來愈重要的作用。汽車輕量化新材料及其應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，必將有助于推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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