1  前言(yán)

“國六”排放(fang)标準即将(jiāng)正式實施(shi)，汽車輕量(liang)化的發展(zhan)越📱來越🔞緊(jin)迫，傳統鋼(gāng)材已經不(bú)能滿足汽(qì)車的質量(liang)🔴要求，各種(zhong)輕量化材(cai)料在汽車(chē)中所占比(bi)例逐漸增(zēng)長。随着現(xian)代汽車對(duì)強度和輕(qing)量化要求(qiu)不斷提高(gāo)，輕量化材(cai)料的研發(fā)和選用顯(xian)得至關重(zhòng)要，本文通(tong)過分析輕(qīng)量化材料(liao)的應用途(tu)徑及現狀(zhuàng)，闡述了輕(qīng)📞量化材料(liào)發展所面(mian)臨的挑戰(zhàn)，并提出了(le)解決方案(an)。

2  汽車輕量(liang)化的意義(yì)

有研究驗(yàn)證了，汽車(chē)每減輕0.1t，最(zuì)多可節約(yue)燃油0.6L/100km，并且(qiě)可減少CO2排(pái)放11g/100km[1]，大量的(de)研究都證(zheng)明汽車輕(qing)量化對于(yú)降低燃油(yóu)💃汽車油耗(hao)、滿足節能(néng)環保要求(qiú)有很重要(yào)的作用❓。

徐(xu)建全等[2]對(duì)純電動汽(qì)車的輕量(liàng)化效果進(jìn)行分析，證(zheng)明了輕量(liàng)🐪化不僅可(kě)以節約能(néng)源，還可以(yǐ)在電池容(róng)量相同的(de)條件下增(zeng)加汽車的(de)續航裏程(cheng)，延長電池(chi)壽命。由此(ci)可見，電動(dong)汽車的輕(qing)量化在提(tí)高電動汽(qi)車性能方(fang)面也有🈲很(hěn)重要的作(zuò)用。此外☔，減(jiǎn)少汽車的(de)質量還可(ke)以減輕懸(xuan)挂系統的(de)負擔，減小(xiǎo)汽車慣💛性(xing)[3]，對車輛起(qi)到👌保護作(zuo)用。

3  輕量化(hua)材料的應(ying)用

如圖1所(suǒ)示，福特的(de)新輕型汽(qi)車通過使(shi)用碳纖維(wéi)油底殼、鋁(lǚ)制連杆、尼(ní)龍複合材(cai)料儀表盤(pan)、聚碳酸酯(zhi)後車窗、碳(tan)纖維車輪(lun)毂等，使☂️車(che)重減少了(le)25%。下面将對(duì)目前常用(yòng)的輕量化(huà)材料進行(hang)介紹。

圖1 汽(qì)車輕量化(hua)的途徑

3.1 有(yǒu)色合金材(cái)料

3.1.1 鋁合金(jin)的應用

鋁(lǚ)合金早在(zai)1899年便在汽(qì)車中應用(yong)，到了20世紀(ji)90年代以讴(ou)歌NSX爲♌首的(de)超級跑車(chē)在汽車制(zhì)造中使用(yòng)鋁。全球第(dì)一輛具有(yǒu)全鋁車身(shēn)的汽車是(shì)奧迪于1994年(nián)開發的，如(ru)圖2所示，其(qi)AFS白車身所(suǒ)用材料幾(ji)乎全是鋁(lü)材，比上一(yī)代白車身(shen)減重近35kg。

圖(tu)2 Audi A8 D3車身

2000年奧(ào)迪公司推(tui)出的奧迪(dí)A2，首次實現(xian)了全鋁車(chē)身技術在(zai)微🐆型轎🚶‍♀️車(che)上的應用(yòng)，其ASF車身是(shi)A8之後的第(di)二代✂️鋁制(zhì)空間車架(jia)，具有🔞質量(liàng)輕、強度大(da)的優點。此(ci)外還有特(te)斯拉、路虎(hǔ)、捷豹等國(guó)外品牌在(zai)汽車中大(dà)量使🈲用鋁(lǚ)合金⭐，獲得(dé)了良好的(de)減重效果(guo)，如2019年上市(shì)的新♉款特(tè)斯拉Model S通過(guo)大量應用(yòng)鋁合金，減(jian)輕🛀了整車(chē)質量😄，使其(qi)最長續航(háng)裏程可達(dá)660km。我國也逐(zhú)漸将全鋁(lü)車身應用(yòng)于新能源(yuan)汽車的制(zhì)造，2016年南甯(níng)㊙️市有18輛全(quán)鋁車👣身新(xin)能源公交(jiao)車投入使(shǐ)用。除全鋁(lǚ)車身外，用(yong)鋁導線大(da)規模代替(tì)銅導線，可(kě)将導線質(zhi)量降低60%以(yǐ)上，并且減(jian)少成本40%～50%[4]。鋁(lü)具有良好(hǎo)的延展性(xing)，使其能有(yǒu)效緩解汽(qi)車碰撞時(shi)帶來的沖(chòng)擊，所以鋁(lü)合金保險(xian)杠的耐撞(zhuàng)性優于鋼(gang)制保險杠(gang)。

據相關統(tǒng)計表明[5]，全(quan)球平均用(yòng)鋁量逐年(nian)攀升，預計(jì)到2050年平均(jun)汽車用鋁(lü)量将達到(dao)240kg/輛，目前中(zhong)國汽車平(ping)❓均用鋁量(liang)🚶‍♀️約爲153kg/輛，是(shì)🌂2050年平均用(yòng)鋁的64%，不論(lùn)是與發達(da)國家平均(jun1)用鋁🎯水平(píng)還是我國(guo)長期的🆚發(fa)展目标都(dōu)有很大差(cha)距，因此，鋁(lǚ)合金在汽(qì)車上的使(shi)🐉用仍有很(hěn)大的提升(sheng)空✌️間。

鋁合(he)金雖然具(ju)有輕量化(hua)、成型性高(gao)的特點，但(dàn)其應用也(yě)受到一些(xie)限制。首先(xian)，鋁合金的(de)高強度是(shì)比強度，即(ji)🏃🏻‍♂️強度與密(mi)度的比值(zhi)，但相比于(yu)傳統的鋼(gāng)材，鋁⛷️及鋁(lü)合金的強(qiáng)度和硬🥰度(dù)都比較低(di)，在保證汽(qì)車的安全(quán)性上具有(you)一定✍️挑戰(zhàn)。其次🌐，鋁及(ji)鋁合金的(de)産量相比(bi)于傳統鋼(gang)材也有很(hěn)大差距，并(bing)且暫時沒(méi)有超過鋼(gāng)材的可能(neng)。最後，鋁的(de)價格🧑🏾‍🤝‍🧑🏼比傳(chuán)統鋼材高(gāo)，而且鋁材(cái)在汽車行(háng)業✏️應用的(de)興起有可(ke)能造成鋁(lü)價的🌈進一(yi)步上升，在(zai)一定🙇🏻程度(du)上也會影(ying)響鋁材的(de)應用。

3.1.2 鎂合(he)金的應用(yòng)

鎂合金在(zai)汽車上的(de)應用最早(zao)可追溯到(dào)1930年的德國(guó)，其用量💃僅(jin)有73.8kg。1938年大衆(zhōng)生産的“大(dà)衆1型”轎車(che)使用了壓(ya)鑄鎂合金(jin)制造傳動(dong)系統的零(ling)部件[6]。鎂合(hé)金汽車座(zuò)椅也是較(jiào)早的⛱️鎂合(hé)金汽車零(ling)⚽部件之一(yī)，鎂合金的(de)座椅靠背(bei)💚和座框相(xiang)比于鋼制(zhì)🍉座椅可以(yi)分别減重(zhòng)47.7%和44.2%。在乘用(yong)車中，福特(tè)探險者的(de)第三排座(zuo)椅靠背就(jiu)👌應用了壓(yā)鑄鎂合金(jin)零部件。除(chú)了座椅骨(gu)架之外，座(zuò)🔴椅的支撐(chēng)支架也💋可(kě)以使用鎂(mei)合金，可以(yǐ)在滿足座(zuò)椅高度需(xū)求的同時(shí)減重，座椅(yǐ)舒适性也(ye)‼️可以相應(yīng)提升。

得益(yi)于其良好(hao)的電磁屏(píng)蔽性能和(hé)高比強度(du)、高阻🈲尼能(neng)力🐪，鎂合金(jin)在很多領(ling)域都體現(xian)出比鋁和(he)鋼更好的(de)⭕使用性能(néng)，在汽🛀車領(ling)域的應用(yòng)也越來越(yue)廣泛，如方(fang)向👉盤、汽缸(gang)蓋、發動機(ji)缸體👌、門框(kuang)、進氣歧管(guan)以及各零(ling)部件🐪安裝(zhuāng)所需🔞的螺(luo)釘，都可以(yi)使用鎂合(hé)金進💘行制(zhì)造。

現在，我(wo)國汽車的(de)用鎂量爲(wèi)1.5kg/輛，而北美(měi)爲3.8kg/輛，日本(ben)爲9.3kg/輛，雖💘然(rán)🆚與這兩個(ge)國家有一(yi)定差距，但(dan)根據《節能(neng)與新能源(yuan)汽車技術(shu)路線圖💋》，到(dào)2025年我國每(mei)輛車使用(yòng)鎂合金要(yao)🚶達到25kg，并逐(zhu)步縮小與(yǔ)發📱達國家(jiā)的差距。

雖(suī)然鎂具有(you)很多優點(dian)，但其價格(gé)是鋁的2～3倍(bèi)，鋼鐵的4倍(bèi)👉左右✂️，比較(jiao)昂貴，随着(zhe)技術的發(fā)展，低成本(ben)鎂合金會(hui)逐漸研發(fa)使💚用[7]。此外(wai)，随着鎂合(hé)金回收再(zai)利用技術(shu)的發展以(yǐ)及環保要(yào)求的提高(gāo)，鎂在汽車(che)領域的發(fā)展形勢值(zhí)得被特🛀殊(shu)關注。

3.1.3 钛合(he)金的應用(yong)

钛有三大(dà)優點，分别(bié)是“輕”、“高強(qiang)”、“不鏽”。作爲(wèi)輕金屬材(cái)料在汽車(chē)行業受到(dao)很多研究(jiū)者的關注(zhù)[8]。

全钛汽車(chē)最早是由(yóu)美國通用(yong)公司在1956年(nián)研發成功(gōng)的“火鳥Ⅱ”型(xíng)汽車，但由(yóu)于钛及钛(tai)合金價格(gé)昂貴，所以(yi)✏️在汽車領(lǐng)🛀域的應用(yong)一直受限(xiàn)。20世紀50年代(dài)日本開始(shǐ)研制钛及(jí)钛合金的(de)汽車零件(jian)🏃‍♀️，20世紀60年代(dai)，钛被應用(yong)于賽車發(fā)動機，直到(dào)20世紀末钛(tài)及钛合金(jin)才随着豪(háo)華轎車的(de)發展得到(dào)大量應用(yòng)[16]，之後随着(zhe)低成本钛(tài)合金的出(chū)現和發展(zhan)，钛合金開(kai)始廣泛應(yīng)用于普通(tōng)汽車的制(zhì)造中。

有研(yán)究證實，20kg的(de)鋼制汽車(che)動力閥零(líng)件與0.8kg的钛(tài)合金零件(jian)具有相同(tóng)的效果，但(dàn)其質量減(jiǎn)低了96%。用钛(tai)合金制作(zuò)🧡汽車發動(dòng)機氣門可(kě)以減重30%～40%并(bìng)提高最高(gao)轉速❌[7]。對于(yú)減震系統(tǒng)🍉，有研究表(biao)明用钛合(hé)金彈簧完(wán)全代替原(yuan)來的鋼彈(dan)簧在諸多(duō)方面來說(shuo)都是可行(hang)的，可使重(zhòng)量減輕43.3%。

钛(tài)及钛合金(jīn)在排氣系(xì)統中比較(jiào)常用，用钛(tai)制消音器(qì)代🛀🏻替不鏽(xiu)鋼消音器(qì)可以減重(zhong)40%左右，雪佛(fó)蘭克爾維(wei)特Z06成功實(shí)現此替代(dai)，保證在系(xi)統強度不(bú)變的情🔞況(kuàng)下，使質量(liàng)更輕，車速(sù)🌈更快且節(jiē)約燃♉料[7]。還(hái)有研究表(biǎo)明，若将某(mǒu)1500kg的中型轎(jiào)車中所🌈有(yǒu)傳統零件(jian)替換成🤩钛(tài)合金零件(jian)，整車質量(liàng)将減少500kg左(zuo)右，這也就(jiù)可以大幅(fú)降低油耗(hao)。

目前我國(guo)已擁有生(sheng)産钛及钛(tai)合金的能(néng)力，但由于(yú)钛合金價(jia)格高，對工(gōng)藝參數敏(mǐn)感，所以钛(tài)合金在汽(qi)車零部件(jian)中的🈲應用(yong)一直受到(dao)限制。钛合(hé)金流動性(xing)差，鑄件中(zhōng)易形成鑄(zhu)造缺陷，因(yin)此對钛合(he)金鑄造、加(jiā)工所需設(she)☂️備和條件(jian)的要求較(jiào)高，這是钛(tai)合金零部(bù)件不受汽(qi)車廠商青(qing)睐的🐇重要(yao)原因之一(yī)。随着我國(guó)科技水平(píng)的‼️迅速提(tí)升，钛及钛(tài)合金的研(yan)發飽受關(guān)注，必使钛(tài)合金朝着(zhe)低成本，高(gāo)質量發展(zhǎn)。而且柳寶(bao)元[9]通過實(shí)驗證明，钛(tai)合金粉末(mo)的力學性(xìng)能與粉末(mò)循環次數(shu)沒有任何(hé)明顯的關(guan)系，從側面(mian)佐證了钛(tai)合金材料(liào)的回收♉利(lì)用是可以(yǐ)實現的，并(bing)🔴且循環利(lì)✍️用次數不(bú)會顯著影(yǐng)響钛合金(jīn)材料的性(xìng)能。未來，钛(tài)及钛合金(jīn)在汽車領(lǐng)域的廣泛(fan)🔆利用值得(dé)期待。

3.2 高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用

國際鋼(gāng)鐵協會汽(qì)車鋼聯盟(meng)在1994年開展(zhǎn)的ULSAB計劃，1997年(nian)開展的ULSAC、ULSAS計(jì)劃和1998年的(de)ULSAB-AVC計劃，都實(shí)現了用先(xian)進高強度(dù)鋼代替普(pu)通低碳鋼(gang)，在不增加(jia)成本的基(jī)礎上爲車(chē)身♊減重。

在(zai)我國，2001年奇(qi)瑞汽車公(gong)司與寶鋼(gāng)的合作，實(shí)現了在🌈試(shi)制樣車👄上(shàng)🔞使用46%的高(gāo)強度鋼闆(pǎn)，對減重起(qi)到了很大(dà)的作用。2003年(nian)，重汽将高(gao)強度鋼廣(guǎng)泛應用于(yu)車架的輕(qīng)量化發展(zhǎn)，成功研制(zhì)了高強👉度(du)鋼單層梁(liáng)車架，并實(shi)現量産。

高(gao)強度鋼由(yóu)于其優秀(xiù)的強度非(fei)常适合用(yòng)于汽車車(che)身結構的(de)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼制造。圖3展(zhǎn)示了高強(qiang)度鋼在車(chē)身上的應(yīng)用細節，如(rú)汽車的㊙️被(bei)動安全系(xi)統部件，包(bao)括側門防(fang)撞鋼梁、安(ān)全杆和保(bǎo)險杠系統(tong)可以使用(yong)超高強度(du)鋼，而車頂(ding)較少承受(shou)撞擊，則可(kě)以使用高(gao)強度鋼。

圖(tu)3 新一代高(gāo)強度鋼在(zai)車身上的(de)應用[3]

高強(qiáng)度鋼作爲(wei)目前汽車(chē)的主要輕(qīng)量化材料(liào)，其強♈塑積(jī)（強度與塑(sù)性的乘積(ji)）不能完美(měi)配合，是所(suǒ)面臨的一(yi)大難✉️題，強(qiáng)度越高，塑(sù)韌性越差(chà)，當抗拉強(qiang)度超過1400MPa時(shí)，高強度鋼(gang)極易發生(sheng)疲勞㊙️破壞(huài)[10]。2010年，我國成(cheng)功研發第(dì)3代先❓進汽(qì)車用☁️鋼，主(zhǔ)要包括Q&P鋼(gāng)、中Mn-TRIP鋼以及(jí)無碳化物(wu)貝氏體鋼(gāng)，相比于前(qián)兩代汽車(chē)鋼☎️，第3代汽(qi)車鋼具有(yǒu)高強度、輕(qīng)量化、低成(cheng)本的優點(dian)，而且在塑(sù)性和韌性(xìng)方面均有(you)一定的提(tí)升[11]，從而受(shou)到諸多關(guan)注，目前我(wǒ)對國第3代(dai)汽車用高(gāo)強度鋼的(de)研究處于(yu)世界前列(lie)。

高強度鋼(gang)與鎂合金(jin)、钛合金應(yīng)用中高成(cheng)本的困擾(rao)不同，高強(qiang)度鋼面臨(lin)的問題是(shì)具有高強(qiang)塑積的汽(qì)車鋼闆新(xin)材料、新工(gong)藝的研發(fā)，以及在高(gāo)強鋼加工(gong)過程中的(de)問題，如回(huí)彈。回彈量(liang)随初始屈(qu)服強度的(de)增大而增(zeng)📞大，這将影(ying)響高強度(dù)鋼的成形(xíng)🛀🏻質量，增加(jia)加工難度(dù)。爲克服回(huí)彈現象，保(bǎo)證汽車車(chē)身及零部(bu)件形狀精(jing)度，還需要(yao)不斷進行(hang)回彈控制(zhi)技術🈚的研(yán)究[12]。

3.3 塑料和(he)複合材料(liào)的應用

汽(qì)車塑料化(hua)是當今汽(qì)車制造的(de)一大趨勢(shì)。車用塑🌈料(liao)質量輕、強(qiáng)度高，隻有(you)普通鋼材(cai)重量的15%～20%，比(bǐ)木材更輕(qing)，對汽車輕(qīng)量☔化有😄極(jí)大的促進(jìn)作用。

20世紀(ji)70年代，塑料(liào)使用量占(zhan)汽車總質(zhì)量的比例(li)爲2%～3%，到20世✍️紀(ji)♊90年🌈代提升(sheng)至7%～9%。2007年，一款(kuan)由法國研(yan)發人員研(yán)發的名爲(wèi)“歡樂敞篷(peng)”的全塑料(liao)汽車在英(yīng)國上市，整(zheng)車隻有370kg，僅(jǐn)爲普通汽(qi)♻️車的三⛷️分(fèn)之一。不久(jiu)前日本的(de)旭化成公(gōng)司新✍️開發(fa)了一種聚(jù)酰胺泡沫(mò)塑料💞，這種(zhong)泡沫🐇塑料(liào)具有極好(hao)的耐熱性(xìng)、耐油性、剛(gang)性和降噪(zao)質量🈚，在汽(qi)車的内飾(shì)☔、車頂、發動(dòng)機、座👄椅和(hé)地闆結構(gòu)中都可以(yi)應用，在減(jian)重降噪方(fāng)面有很好(hǎo)的效果。

複(fu)合材料具(jù)有比強度(du)和比模量(liàng)高、密度小(xiǎo)，質量輕♌、強(qiáng)度高、安全(quán)等級高等(deng)優點，是汽(qi)車輕量化(huà)的理想材(cai)料。碳纖維(wéi)複合材料(liào)可以使車(che)身、底盤減(jiǎn)重50%以上。用(yong)碳纖維複(fu)合材料所(suǒ)制的闆簧(huáng)與傳☁️統材(cai)料相比☎️減(jian)重76%，使用碳(tàn)纖維發動(dòng)機罩可使(shi)發動機減(jiǎn)重6kg以上🙇‍♀️[13]。以(yǐ)寶馬i8車身(shēn)結構爲例(lì)，它在車身(shēn)底盤（Drive）采用(yòng)的是金🔞屬(shu)結構，但在(zai)乘♉員艙（Life）使(shi)用了CFRP碳纖(xiān)維增強複(fú)合材料，兼(jiān)顧了強度(du)與輕量化(huà)。

目前碳纖(xian)維複合材(cái)料的應用(yong)面臨兩大(dà)障礙，其一(yi)㊙️是制🌈造成(cheng)本，例如以(yǐ)碳纖維爲(wei)框架的座(zuò)椅成本是(shì)鋼材框架(jià)的6倍之高(gāo)，使其無法(fǎ)大量應用(yong)于汽車；其(qí)二是時間(jiān)成本，用鋼(gang)隻需1分鍾(zhong)的就能制(zhì)造完成的(de)零件用碳(tàn)㊙️纖維需要(yao)5分鍾，若進(jin)行大量生(shēng)産耗費的(de)時間則會(hui)成倍增長(zhang)，這無疑又(yòu)增加了碳(tàn)纖維複合(he)材料的應(ying)用難度。

從(cóng)2017年發布的(de)《節能與新(xīn)能源汽車(che)技術路線(xiàn)圖》的要求(qiu)來看⛱️，到2030年(nián)，碳纖維的(de)使用量要(yao)達到汽車(che)總重的5%，并(bìng)且碳纖🔴維(wei)的成本也(ye)需要大幅(fú)度降低。

3.4 精(jīng)細陶瓷的(de)應用

精細(xi)陶瓷也是(shi)當前很重(zhong)要的一大(dà)類材料。它(ta)具有高🐕強(qiáng)度、高硬度(du)、耐腐蝕等(děng)特點，以及(jí)在磁、電、光(guang)、聲各方面(mian)的特殊功(gōng)能，目‼️前應(yīng)用于汽車(che)上多種零(ling)部件，如陶(táo)瓷軸承、陶(tao)🐅瓷發動🚶‍♀️機(ji)、陶瓷🌏淨化(huà)器載體、陶(táo)瓷刹車片(piàn)和陶⛷️瓷繼(ji)電器等[14]。

4  結(jie)論

汽車輕(qīng)量化的材(cái)料随着科(ke)技的進步(bu)呈現出多(duo)元化🌈的🌂發(fā)展趨勢，在(zai)質量、強度(dù)和剛度要(yào)求不斷提(tí)高的前提(ti)下汽車🆚輕(qing)量化的道(dào)路充滿機(ji)遇和挑戰(zhan)。輕量化材(cai)🐪料在汽車(che)上的使用(yong)會✔️趨向于(yu)通過多種(zhong)材料的組(zu)合來彌補(bǔ)使用單一(yi)材料帶來(lai)的🔆缺陷。改(gai)善🏃‍♂️材料的(de)性能，降低(di)材料的成(cheng)本以及提(tí)高材料的(de)回🌈收利用(yòng)率必将爲(wèi)各種汽車(che)輕量化材(cai)料的發展(zhǎn)提供無限(xiàn)可能。