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1  前言

“國(guó)六”排放標(biāo)準(zhǔn)即將正式實(shí)施，汽車(chē)輕量化的發(fā)展越來(lái)越緊迫，傳統(tǒng)鋼材已經(jīng)不能滿(mǎn)足汽車(chē)的質(zhì)量要求，各種輕量化材料在汽車(chē)中所占比例逐漸增長(zhǎng)。隨著現(xiàn)代汽車(chē)對(duì)強(qiáng)度和輕量化要求不斷提高，輕量化材料的研發(fā)和選用顯得至關(guān)重要，本文通過(guò)分析輕量化材料的應(yīng)用途徑及現(xiàn)狀，闡述了輕量化材料發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，并提出了解決方案。

2  汽車(chē)輕量化的意義

有研究驗(yàn)證了，汽車(chē)每減輕0.1t，最多可節(jié)約燃油0.6L/100km，并且可減少CO2排放11g/100km[1]，大量的研究都證明汽車(chē)輕量化對(duì)于降低燃油汽車(chē)油耗、滿(mǎn)足節(jié)能環(huán)保要求有很重要的作用。

徐建全等[2]對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的輕量化效果進(jìn)行分析，證明了輕量化不僅可以節(jié)約能源，還可以在電池容量相同的條件下增加汽車(chē)的續(xù)航里程，延長(zhǎng)電池壽命。由此可見(jiàn)，電動(dòng)汽車(chē)的輕量化在提高電動(dòng)汽車(chē)性能方面也有很重要的作用。此外，減少汽車(chē)的質(zhì)量還可以減輕懸掛系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，減小汽車(chē)慣性[3]，對(duì)車(chē)輛起到保護(hù)作用。

3  輕量化材料的應(yīng)用

如圖1所示，福特的新輕型汽車(chē)通過(guò)使用碳纖維油底殼、鋁制連桿、尼龍復(fù)合材料儀表盤(pán)、聚碳酸酯后車(chē)窗、碳纖維車(chē)輪轂等，使車(chē)重減少了25%。下面將對(duì)目前常用的輕量化材料進(jìn)行介紹。

圖1 汽車(chē)輕量化的途徑

3.1 有色合金材料

3.1.1 鋁合金的應(yīng)用

鋁合金早在1899年便在汽車(chē)中應(yīng)用，到了20世紀(jì)90年代以謳歌NSX為首的超級(jí)跑車(chē)在汽車(chē)制造中使用鋁。全球第一輛具有全鋁車(chē)身的汽車(chē)是奧迪于1994年開(kāi)發(fā)的，如圖2所示，其AFS白車(chē)身所用材料幾乎全是鋁材，比上一代白車(chē)身減重近35kg。

圖2 Audi A8 D3車(chē)身

2000年奧迪公司推出的奧迪A2，首次實(shí)現(xiàn)了全鋁車(chē)身技術(shù)在微型轎車(chē)上的應(yīng)用，其ASF車(chē)身是A8之后的第二代鋁制空間車(chē)架，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)。此外還有特斯拉、路虎、捷豹等國(guó)外品牌在汽車(chē)中大量使用鋁合金，獲得了良好的減重效果，如2019年上市的新款特斯拉Model S通過(guò)大量應(yīng)用鋁合金，減輕了整車(chē)質(zhì)量，使其最長(zhǎng)續(xù)航里程可達(dá)660km。我國(guó)也逐漸將全鋁車(chē)身應(yīng)用于新能源汽車(chē)的制造，2016年南寧市有18輛全鋁車(chē)身新能源公交車(chē)投入使用。除全鋁車(chē)身外，用鋁導(dǎo)線(xiàn)大規(guī)模代替銅導(dǎo)線(xiàn)，可將導(dǎo)線(xiàn)質(zhì)量降低60%以上，并且減少成本40%～50%[4]。鋁具有良好的延展性，使其能有效緩解汽車(chē)碰撞時(shí)帶來(lái)的沖擊，所以鋁合金保險(xiǎn)杠的耐撞性?xún)?yōu)于鋼制保險(xiǎn)杠。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明[5]，全球平均用鋁量逐年攀升，預(yù)計(jì)到2050年平均汽車(chē)用鋁量將達(dá)到240kg/輛，目前中國(guó)汽車(chē)平均用鋁量約為153kg/輛，是2050年平均用鋁的64%，不論是與發(fā)達(dá)國(guó)家平均用鋁水平還是我國(guó)長(zhǎng)期的發(fā)展目標(biāo)都有很大差距，因此，鋁合金在汽車(chē)上的使用仍有很大的提升空間。

鋁合金雖然具有輕量化、成型性高的特點(diǎn)，但其應(yīng)用也受到一些限制。首先，鋁合金的高強(qiáng)度是比強(qiáng)度，即強(qiáng)度與密度的比值，但相比于傳統(tǒng)的鋼材，鋁及鋁合金的強(qiáng)度和硬度都比較低，在保證汽車(chē)的安全性上具有一定挑戰(zhàn)。其次，鋁及鋁合金的產(chǎn)量相比于傳統(tǒng)鋼材也有很大差距，并且暫時(shí)沒(méi)有超過(guò)鋼材的可能。最后，鋁的價(jià)格比傳統(tǒng)鋼材高，而且鋁材在汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用的興起有可能造成鋁價(jià)的進(jìn)一步上升，在一定程度上也會(huì)影響鋁材的應(yīng)用。

3.1.2 鎂合金的應(yīng)用

鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用最早可追溯到1930年的德國(guó)，其用量?jī)H有73.8kg。1938年大眾生產(chǎn)的“大眾1型”轎車(chē)使用了壓鑄鎂合金制造傳動(dòng)系統(tǒng)的零部件[6]。鎂合金汽車(chē)座椅也是較早的鎂合金汽車(chē)零部件之一，鎂合金的座椅靠背和座框相比于鋼制座椅可以分別減重47.7%和44.2%。在乘用車(chē)中，福特探險(xiǎn)者的第三排座椅靠背就應(yīng)用了壓鑄鎂合金零部件。除了座椅骨架之外，座椅的支撐支架也可以使用鎂合金，可以在滿(mǎn)足座椅高度需求的同時(shí)減重，座椅舒適性也可以相應(yīng)提升。

得益于其良好的電磁屏蔽性能和高比強(qiáng)度、高阻尼能力，鎂合金在很多領(lǐng)域都體現(xiàn)出比鋁和鋼更好的使用性能，在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，如方向盤(pán)、汽缸蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、門(mén)框、進(jìn)氣歧管以及各零部件安裝所需的螺釘，都可以使用鎂合金進(jìn)行制造。

現(xiàn)在，我國(guó)汽車(chē)的用鎂量為1.5kg/輛，而北美為3.8kg/輛，日本為9.3kg/輛，雖然與這兩個(gè)國(guó)家有一定差距，但根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖》，到2025年我國(guó)每輛車(chē)使用鎂合金要達(dá)到25kg，并逐步縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。

雖然鎂具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格是鋁的2～3倍，鋼鐵的4倍左右，比較昂貴，隨著技術(shù)的發(fā)展，低成本鎂合金會(huì)逐漸研發(fā)使用[7]。此外，隨著鎂合金回收再利用技術(shù)的發(fā)展以及環(huán)保要求的提高，鎂在汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展形勢(shì)值得被特殊關(guān)注。

3.1.3 鈦合金的應(yīng)用

鈦有三大優(yōu)點(diǎn)，分別是“輕”、“高強(qiáng)”、“不銹”。作為輕金屬材料在汽車(chē)行業(yè)受到很多研究者的關(guān)注[8]。

全鈦汽車(chē)最早是由美國(guó)通用公司在1956年研發(fā)成功的“火鳥(niǎo)Ⅱ”型汽車(chē)，但由于鈦及鈦合金價(jià)格昂貴，所以在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用一直受限。20世紀(jì)50年代日本開(kāi)始研制鈦及鈦合金的汽車(chē)零件，20世紀(jì)60年代，鈦被應(yīng)用于賽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，直到20世紀(jì)末鈦及鈦合金才隨著豪華轎車(chē)的發(fā)展得到大量應(yīng)用[16]，之后隨著低成本鈦合金的出現(xiàn)和發(fā)展，鈦合金開(kāi)始廣泛應(yīng)用于普通汽車(chē)的制造中。

有研究證實(shí)，20kg的鋼制汽車(chē)動(dòng)力閥零件與0.8kg的鈦合金零件具有相同的效果，但其質(zhì)量減低了96%。用鈦合金制作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)可以減重30%～40%并提高最高轉(zhuǎn)速[7]。對(duì)于減震系統(tǒng)，有研究表明用鈦合金彈簧完全代替原來(lái)的鋼彈簧在諸多方面來(lái)說(shuō)都是可行的，可使重量減輕43.3%。

鈦及鈦合金在排氣系統(tǒng)中比較常用，用鈦制消音器代替不銹鋼消音器可以減重40%左右，雪佛蘭克爾維特Z06成功實(shí)現(xiàn)此替代，保證在系統(tǒng)強(qiáng)度不變的情況下，使質(zhì)量更輕，車(chē)速更快且節(jié)約燃料[7]。還有研究表明，若將某1500kg的中型轎車(chē)中所有傳統(tǒng)零件替換成鈦合金零件，整車(chē)質(zhì)量將減少500kg左右，這也就可以大幅降低油耗。

目前我國(guó)已擁有生產(chǎn)鈦及鈦合金的能力，但由于鈦合金價(jià)格高，對(duì)工藝參數(shù)敏感，所以鈦合金在汽車(chē)零部件中的應(yīng)用一直受到限制。鈦合金流動(dòng)性差，鑄件中易形成鑄造缺陷，因此對(duì)鈦合金鑄造、加工所需設(shè)備和條件的要求較高，這是鈦合金零部件不受汽車(chē)廠商青睞的重要原因之一。隨著我國(guó)科技水平的迅速提升，鈦及鈦合金的研發(fā)飽受關(guān)注，必使鈦合金朝著低成本，高質(zhì)量發(fā)展。而且柳寶元[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，鈦合金粉末的力學(xué)性能與粉末循環(huán)次數(shù)沒(méi)有任何明顯的關(guān)系，從側(cè)面佐證了鈦合金材料的回收利用是可以實(shí)現(xiàn)的，并且循環(huán)利用次數(shù)不會(huì)顯著影響鈦合金材料的性能。未來(lái)，鈦及鈦合金在汽車(chē)領(lǐng)域的廣泛利用值得期待。

3.2 高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用

國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)汽車(chē)鋼聯(lián)盟在1994年開(kāi)展的ULSAB計(jì)劃，1997年開(kāi)展的ULSAC、ULSAS計(jì)劃和1998年的ULSAB-AVC計(jì)劃，都實(shí)現(xiàn)了用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼代替普通低碳鋼，在不增加成本的基礎(chǔ)上為車(chē)身減重。

在我國(guó)，2001年奇瑞汽車(chē)公司與寶鋼的合作，實(shí)現(xiàn)了在試制樣車(chē)上使用46%的高強(qiáng)度鋼板，對(duì)減重起到了很大的作用。2003年，重汽將高強(qiáng)度鋼廣泛應(yīng)用于車(chē)架的輕量化發(fā)展，成功研制了高強(qiáng)度鋼單層梁車(chē)架，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

高強(qiáng)度鋼由于其優(yōu)秀的強(qiáng)度非常適合用于汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的制造。圖3展示了高強(qiáng)度鋼在車(chē)身上的應(yīng)用細(xì)節(jié)，如汽車(chē)的被動(dòng)安全系統(tǒng)部件，包括側(cè)門(mén)防撞鋼梁、安全桿和保險(xiǎn)杠系統(tǒng)可以使用超高強(qiáng)度鋼，而車(chē)頂較少承受撞擊，則可以使用高強(qiáng)度鋼。

圖3 新一代高強(qiáng)度鋼在車(chē)身上的應(yīng)用[3]

高強(qiáng)度鋼作為目前汽車(chē)的主要輕量化材料，其強(qiáng)塑積（強(qiáng)度與塑性的乘積）不能完美配合，是所面臨的一大難題，強(qiáng)度越高，塑韌性越差，當(dāng)抗拉強(qiáng)度超過(guò)1400MPa時(shí)，高強(qiáng)度鋼極易發(fā)生疲勞破壞[10]。2010年，我國(guó)成功研發(fā)第3代先進(jìn)汽車(chē)用鋼，主要包括Q&P鋼、中Mn-TRIP鋼以及無(wú)碳化物貝氏體鋼，相比于前兩代汽車(chē)鋼，第3代汽車(chē)鋼具有高強(qiáng)度、輕量化、低成本的優(yōu)點(diǎn)，而且在塑性和韌性方面均有一定的提升[11]，從而受到諸多關(guān)注，目前我對(duì)國(guó)第3代汽車(chē)用高強(qiáng)度鋼的研究處于世界前列。

高強(qiáng)度鋼與鎂合金、鈦合金應(yīng)用中高成本的困擾不同，高強(qiáng)度鋼面臨的問(wèn)題是具有高強(qiáng)塑積的汽車(chē)鋼板新材料、新工藝的研發(fā)，以及在高強(qiáng)鋼加工過(guò)程中的問(wèn)題，如回彈。回彈量隨初始屈服強(qiáng)度的增大而增大，這將影響高強(qiáng)度鋼的成形質(zhì)量，增加加工難度。為克服回彈現(xiàn)象，保證汽車(chē)車(chē)身及零部件形狀精度，還需要不斷進(jìn)行回彈控制技術(shù)的研究[12]。

3.3 塑料和復(fù)合材料的應(yīng)用

汽車(chē)塑料化是當(dāng)今汽車(chē)制造的一大趨勢(shì)。車(chē)用塑料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，只有普通鋼材重量的15%～20%，比木材更輕，對(duì)汽車(chē)輕量化有極大的促進(jìn)作用。

20世紀(jì)70年代，塑料使用量占汽車(chē)總質(zhì)量的比例為2%～3%，到20世紀(jì)90年代提升至7%～9%。2007年，一款由法國(guó)研發(fā)人員研發(fā)的名為“歡樂(lè)敞篷”的全塑料汽車(chē)在英國(guó)上市，整車(chē)只有370kg，僅為普通汽車(chē)的三分之一。不久前日本的旭化成公司新開(kāi)發(fā)了一種聚酰胺泡沫塑料，這種泡沫塑料具有極好的耐熱性、耐油性、剛性和降噪質(zhì)量，在汽車(chē)的內(nèi)飾、車(chē)頂、發(fā)動(dòng)機(jī)、座椅和地板結(jié)構(gòu)中都可以應(yīng)用，在減重降噪方面有很好的效果。

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、密度小，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、安全等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)，是汽車(chē)輕量化的理想材料。碳纖維復(fù)合材料可以使車(chē)身、底盤(pán)減重50%以上。用碳纖維復(fù)合材料所制的板簧與傳統(tǒng)材料相比減重76%，使用碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩可使發(fā)動(dòng)機(jī)減重6kg以上[13]。以寶馬i8車(chē)身結(jié)構(gòu)為例，它在車(chē)身底盤(pán)（Drive）采用的是金屬結(jié)構(gòu)，但在乘員艙（Life）使用了CFRP碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，兼顧了強(qiáng)度與輕量化。

目前碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用面臨兩大障礙，其一是制造成本，例如以碳纖維為框架的座椅成本是鋼材框架的6倍之高，使其無(wú)法大量應(yīng)用于汽車(chē)；其二是時(shí)間成本，用鋼只需1分鐘的就能制造完成的零件用碳纖維需要5分鐘，若進(jìn)行大量生產(chǎn)耗費(fèi)的時(shí)間則會(huì)成倍增長(zhǎng)，這無(wú)疑又增加了碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用難度。

從2017年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖》的要求來(lái)看，到2030年，碳纖維的使用量要達(dá)到汽車(chē)總重的5%，并且碳纖維的成本也需要大幅度降低。

3.4 精細(xì)陶瓷的應(yīng)用

精細(xì)陶瓷也是當(dāng)前很重要的一大類(lèi)材料。它具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕等特點(diǎn)，以及在磁、電、光、聲各方面的特殊功能，目前應(yīng)用于汽車(chē)上多種零部件，如陶瓷軸承、陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)、陶瓷凈化器載體、陶瓷剎車(chē)片和陶瓷繼電器等[14]。

4  結(jié)論

汽車(chē)輕量化的材料隨著科技的進(jìn)步呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢(shì)，在質(zhì)量、強(qiáng)度和剛度要求不斷提高的前提下汽車(chē)輕量化的道路充滿(mǎn)機(jī)遇和挑戰(zhàn)。輕量化材料在汽車(chē)上的使用會(huì)趨向于通過(guò)多種材料的組合來(lái)彌補(bǔ)使用單一材料帶來(lái)的缺陷。改善材料的性能，降低材料的成本以及提高材料的回收利用率必將為各種汽車(chē)輕量化材料的發(fā)展提供無(wú)限可能。