汽车轻量化材料的应用现状及发展趋势分析

摘要：节能减排是一个永恒的话题，而汽车轻量化是节能减排的重要措施之一。汽车轻量化不仅可以有效降低汽车油耗，还可以延长汽车的使用寿命，有利于汽车工业的发展和人们的生活。本文探讨了汽车轻量化材料的应用及现状，分析了汽车轻量化所采用的各种材料的优缺点，为汽车制造过程中材料的选择提供支持。

关键词：汽车轻量化；轻量化材料；应用现状

1 简介

“国六”排放标准即将正式实施，汽车轻量化发展愈加紧迫，传统钢材已不能满足汽车的质量要求，各类轻量化材料在汽车中的占比逐渐增加，随着现代汽车强度的提高、轻量化要求的不断提高，轻量化材料的研发与选用至关重要。本文对轻量化材料的应用方式及现状进行分析，阐述轻量化材料发展面临的挑战，并提出解决方案。

2 汽车轻量化的意义

研究表明，汽车重量每减轻0.1吨，可以节省燃油0.6升/100公里，减少二氧化碳排放11克/100公里[1]，大量研究证明，汽车轻量化对于降低油耗、满足节能环保要求具有十分重要的作用。

徐建全等[2]对纯电动汽车的轻量化效应进行了分析，证明轻量化不仅可以节约能源，在电池容量不变的情况下，还可以增加车辆的续航里程、延长电池的使用寿命。轻量化对电动汽车性能的提升也起到了重要作用。此外，减轻整车质量还可以减轻悬架系统的负担，降低车辆的惯性[3]，对车辆起到保护作用。

3 轻质材料的应用

如图1所示，福特新款轻量化轿车通过采用碳纤维油底壳、铝制连杆、尼龙复合材料仪表板、聚碳酸酯后窗、碳纤维轮毂等，使车重减轻25%，下面介绍目前常用的轻量化材料。

图1 减轻汽车重量的方法

3.1 有色合金材料

3.1.1铝合金的应用

铝合金早在1899年就已应用于汽车，20世纪90年代，讴歌NSX等超级跑车在汽车制造中开始使用铝。世界上第一辆全铝车身的汽车由奥迪于1994年开发出来。如图2所示，其AFS白车身所用材料几乎全部为铝，与上一代白车身相比减轻了近35kg的重量。

图2 奥迪A8 D3车身

奥迪公司2000年推出的奥迪A2是首次在微型车上使用全铝车身技术的车型，其ASF车身是继A8之后的第二代铝制空间框架，具有重量轻、强度高的优点。特斯拉、路虎、捷豹等外资品牌在汽车上大量使用铝合金，取得了良好的减重效果，如2019年推出的新款特斯拉Model S，就大量使用铝合金来减轻整车重量，最长续航里程可达660km。我国也逐步将全铝车身运用到新能源汽车制造中，2016年南宁市投入使用18辆全铝车身新能源公交车。铝导线大规模替代铜导线，可减少导线质量60%以上，成本降低40%~50%[4]。铝具有良好的延展性，可以有效缓解汽车碰撞时产生的冲击力。合金保险杠比钢制保险杠更耐撞。

据相关统计[5]，全球平均铝消耗量逐年上升，预计到2050年，汽车平均铝消耗量将达到240kg/辆，而目前我国汽车平均铝消耗量约为153kg/辆，即2050年平均铝消耗量。汽车中铝合金占比为64%，与发达国家平均铝使用水平及我国长远发展目标还存在较大差距，因此铝合金在汽车上的使用还有很大的提升空间。

铝合金虽然重量轻、成形性好，但是其应用也受到一些限制，首先铝合金的高强度是比强度，也就是强度和密度的比值，但是与传统钢铁相比，铝及铝合金的强度和硬度都比较低，这对于保障汽车的安全性提出了一定的挑战。其次，铝及铝合金的产量也远远落后于传统钢铁，暂时还不可能超过钢铁。而且价格高于传统钢铁，铝在汽车行业应用的兴起很可能会引起铝价的进一步上涨，这也将在一定程度上影响铝的应用。

3.1.2镁合金的应用

镁合金在汽车上最早的应用可追溯到1930年的德国，当时用量仅为73.8公斤。1938年，大众汽车公司生产的“大众1型”轿车，就采用压铸镁合金制造传动系统零件[6]。合金汽车座椅也是最早使用镁合金的汽车部件之一。镁合金座椅靠背和座椅骨架与钢制座椅相比，可分别减轻重量47.7%和44.2%。SUV的第三排座椅靠背就采用了压铸镁合金部件。除了座椅骨架外，座椅支撑架也可采用镁合金制造，在满足座椅高度要求的同时，还能减轻重量，使座椅的舒适性也能得到相应的提高。

镁合金凭借其良好的电磁屏蔽性能、较高的比强度和较高的阻尼能力，在很多领域的性能都比铝和钢要好，在汽车领域的应用越来越广泛，比如方向盘、气缸盖、发动机缸体、门框、进气歧管以及安装各部件所需的螺钉等都可以用镁合金制造。

目前，我国汽车用镁量为1.5kg/辆，而北美为3.8kg/辆，日本为9.3kg/辆。虽然我国与上述两个国家还有一定差距，但根据《节能与新能源汽车技术路线图》，到2025年，我国每辆汽车用镁合金量将达到25kg，与发达国家的差距将逐步缩小。

镁虽然具有诸多优点，但其价格是铝的2～3倍、钢的4倍左右，价格较为昂贵。随着技术的发展，低成本的镁合金将逐渐得到开发和利用[7]。随着回收再利用技术的发展和环保要求的提高，镁在汽车领域的发展值得特别关注。

3.1.3钛合金的应用

钛合金具有质轻、强度高、不锈三大优点，作为轻金属材料受到了汽车行业众多研究者的关注[8]。

第一辆全钛汽车是1956年美国通用汽车公司研制的“火鸟二号”。但由于钛及钛合金价格昂贵，其在汽车领域的应用一直受到限制，20世纪60年代钛开始用于赛车发动机，直到20世纪末，随着豪华轿车的发展，钛及钛合金才得到广泛应用[16]，后来，随着低成本钛合金的出现和钛合金的发展，钛合金开始大量应用于普通汽车的制造。

研究表明，一个20kg的钢制汽车动力气门零件与0.8kg的钛合金零件具有相同的效果，但其质量却减轻了96%，用钛合金制造汽车发动机气门可减轻重量30%~40%，最大限度提高减震系统的性能[7]，研究表明，用钛合金弹簧完全替代原来的钢制弹簧在很多方面都是可行的，可减轻重量43.3%。

钛和钛合金是排气系统中常用的材料。用钛合金消声器代替不锈钢消声器可减轻重量约40%。雪佛兰科尔维特Z06成功实现了这种替代，保证了在系统强度不变的情况下质量的降低，使汽车更轻、更快、更省油[7]。另有研究表明，如果将一辆1500kg的中型轿车中所有传统部件都替换为钛合金部件，整车重量将减轻约500kg，可显著降低油耗。

目前，我国已具备生产钛及钛合金的能力，但由于钛合金价格昂贵，且对工艺参数较为敏感，限制了钛合金在汽车零部件上的应用。钛合金流动性差，铸件易产生铸造缺陷，因此对钛合金铸造加工所需的设备和条件要求较高，这也是钛合金零部件不受汽车厂家青睐的重要原因之一。随着我国科技水平的快速提高，钛及钛合金的研究开发已趋于饱和，对钛合金的重视必将带动其向低成本、高质量的发展。而且，刘宝元[9]通过试验证明，钛合金粉末的力学性能与粉末循环次数无明显关系，间接证明了钛合金材料的回收再利用是可行的，且回收次数不会显著影响钛合金材料的性能。未来钛及钛合金在汽车领域的广泛应用值得期待。

3.2 高强度钢的应用

世界钢协汽车用钢联盟1994年启动的ULSAB计划，1997年启动的ULSAC、ULSAS计划，以及1998年推出的ULSAB-AVC计划，都是在不增加成本的基础上，实现了用先进高强度钢替代普通低碳钢，以减轻车身重量为基础。

在我国，2001年奇瑞汽车公司与宝钢合作，在试制车辆上采用了46%的高强度钢板，起到了很大的减重作用，2003年中国重汽广泛应用高强度钢在车架的轻量化开发中，成功开发了高强度钢单层梁式车架并实现量产。

高强度钢由于其优异的强度，非常适合制造汽车车身结构，图3给出了高强度钢在车身的应用细节，例如汽车的被动安全系统部件，包括侧门防撞钢梁、安全杆和保险杠系统等都可以采用超高强度钢，而受冲击较小的车顶则可以采用高强度钢。

图3 新一代高强度钢在车身的应用[3]

高强度钢是目前汽车轻量化的主要材料，但其强度-塑性积（强度与塑性的乘积）无法完美匹配是面临的一大难题，强度越高，塑性越差，当抗拉强度超过1400MPa，载荷增加时，高强度钢极易发生疲劳失效[10]。2010年，我国成功开发出第三代先进汽车用钢，主要包括Q&P钢、中Mn-TRIP钢和无碳化物贝氏体钢。前两代汽车用钢即第三代汽车用钢，具有强度高、重量轻、成本低等优点，塑性和韧性均有一定提升[11]，因而备受关注。汽车用高强度钢的研究走在了世界前列。

高强度钢不同于镁合金、钛合金在应用中面临着成本高的问题。高强度钢面临着高强塑性汽车钢板新材料、新工艺研发的问题，以及高强度钢加工过程中的回收利用等问题。回弹量随初始屈服强度的提高而增大，会影响高强度钢的成形质量，增加加工难度。为了克服回弹现象，保证汽车车身及零件的形状精度，需要进行连续回弹控制技术的研究[12]。

3.3 塑料及复合材料的应用

汽车塑料化是当今汽车制造的一大趋势，汽车塑料质量轻、强度高，仅为普通钢材重量的15%~20%，比木材还轻，对汽车轻量化有很大的推动作用。

20世纪70年代，塑料的使用量占汽车总重量的比例为2%～3%，而进入20世纪90年代则上升到7%～9%，2007年，法国科研人员研制的一款名为“快乐敞篷车”的汽车问世。英国推出的“全塑料汽车”，总重量只有370kg，仅为普通轿车的三分之一。前不久，日本旭化成公司研制出一种新型聚酰胺泡沫塑料，它具有耐热性、耐久性、耐油性、刚性和降噪性等良好性能，可用于汽车的内饰、车顶、发动机、座椅和地板结构等，在减重降噪方面有很好的效果。

复合材料具有比强度和比模量高、密度小、质量轻、强度高、安全等级高等优点，是汽车轻量化的理想材料。碳纤维复合材料可使车身和底盘减重50%以上，与传统材料相比，用该材料制成的钢板弹簧可减重76%，使用碳纤维发动机罩可使发动机减重6公斤以上[13]。以宝马i8车身结构为例，其在底盘（Drive）部分采用金属结构，与原来不同，但在乘客舱（Life）部分采用了CFRP碳纤维增强复合材料，兼顾了强度和轻量化。

目前，碳纤维复合材料的应用面临两大障碍，第一是制造成本，例如采用碳纤维框架的座椅成本比钢框架高出6倍，无法在汽车上大批量使用。第二是时间成本，用钢材制造只需1分钟的零件，用碳纤维却要花5分钟，如果进行量产，所耗费的时间将成倍增加，这无疑增加了碳纤维复合材料的应用难度。

而根据2017年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》的要求，到2030年，碳纤维的使用量必须达到汽车总重量的5%，同时碳纤维的成本也必须大幅降低。

3.4 精细陶瓷的应用

精细陶瓷也是目前非常重要的一类材料，具有强度高、硬度高、耐腐蚀，在磁、电、光、声等方面具有特殊功能等特点，目前被应用于汽车的很多部件，如陶瓷轴承、陶瓷发动机、陶瓷净化器载体、陶瓷刹车片和陶瓷继电器等[14]。

4 结论

随着科技的进步，汽车轻量化材料的发展趋势呈现多元化，在质量、强度、刚度要求不断提高的前提下，汽车轻量化之路充满机遇与挑战，汽车轻量化材料的使用将趋向于多种材料的复合，弥补使用单一材料的缺陷，提升材料的性能、降低材料的成本、提高材料的回收利用率必将为各类汽车轻量化材料的发展提供无限可能。