當前，能源與環境危機加速了世界各國對汽車油耗的嚴格控制，而電動車的續航里程短板也需要補齊。為此，能夠降低油耗、提升續航里程的汽車輕量化設計，已經成為了當前新車的重要標簽。

    汽車輕量化就是盡可能降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性和減少燃料消耗。據相關數據表明，汽車整車質量每降低100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升；而若汽車整車重量降低10%，燃油效率就可以提高6%-8%。

    在2017年發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》中也提到，汽車輕量化技術主要分為三個階段，具體如下：

    總體來看，目前汽車輕量化的主要實現方式有：一是，結構及制造工藝的優化，對車體的主要承力部件進行加強、非主要承力不見進行合理弱化，從而降低耗材用量；二是車身及零部件運用輕量化新型材料，例如鋁合金、鎂合金、碳纖維等符合材料的運用。

    以下，高工電動車網將重點介紹目前主流的輕量化材料及其應用情況：

    一、主流的輕量化材料

    據相關統計，近幾年生產的一輛普通轎車，其主要材料的重量構成比大致為：鋼鐵65%-70%、有色金屬10%-15%、非金屬材料20%左右。但是，隨著各類輕量化材料的應用，傳統汽車材料占比將發生改變。

    具體來看，目前汽車輕量化主要運用鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料、工程塑料等密度較小的材料。其中，在所有汽車輕量化材料中，碳纖維復合材料被認為最輕質的材料，減重效果遠優于高強度鋼、鋁合金等。

    需要特別提及的是，由于大部分輕量化新材料的成本普遍偏高，目前采用鋁合金、碳纖維等新材料作為車身主結構的車型售價基本在40萬元以上，但鑄鋁件則較早就在發動機殼體、懸架擺臂、副車架等底盤和動力系統部件上使用，因所占車型開發成本比例較小，搭載車型級別不一。

    另外，不同的輕量化材料還要采用相應的先進成型工藝來完成，目前比較先進的制造工藝主要有液壓成型技術、TRB技術、熱沖壓成形技術等。

    1、 高強度鋼板材料

    高強度鋼鐵材料由于其高強度、成本低的特點，相對于高分子材料和鎂、鋁合金材料而言，是車身材料最廣泛的應用材料。同時，高強度鋼的應用還對車體的彎曲剛性和扭轉剛性有顯著提升作用。

    開發進展：國外鋼鐵企業已經先后開展了UL SAB等項目計劃，開發了新一代應用于汽車的高強度鋼材料，明顯提高了鋼鐵材料的彎曲和扭轉剛度。目前，業內已經開發了屈服強度大于210Mpa的高強度鋼和屈服強度大于550Mpa的超高強度鋼。

    技術難點：高強度鋼材存在焊接性能較差，制造工作存在一定難度。

    應用情況：高強度鋼材一直是汽車的主要材料，有專家指出，在2025年前鋼材在汽車中的應用比例仍然會達到50%以上。

    2、鋁合金

    鋁合金是目前采用最多的輕金屬材料。根據相關機構測算，鋁合金在汽車中的使用空間最高可達540kg，可使汽車減重40%。

    技術門檻：由于鋁合金材料具有較強的導熱性、抗腐蝕性等，所以需要采用一些技術對其性能進行改造，以提高鋁合金材料的強度。

    適用性：鋁合金是僅次于鋼材的汽車重要材料，廣泛應用于結構件、沖壓件、車廂、車身等。

    例如，福特F150采用鋁合金車身，車身重量減輕了40%以上，整備質量降低了300kg；而奇瑞小螞蟻是國內首款全鋁輕量化的微型電動車，在輕量化的基礎上保證了安全性，整車質量僅855kg。

    3、鎂合金

    鎂合金是常用金屬結構材料最輕的一種，其密度約為鋁的2/3，鋼的1/4，同時具備比強度高、比彈性模量大、加工性好、減振型佳等優點，可在鋁合金車輛的基礎上減輕15%-20%。不過，由于成本、技術等方面原因，目前鎂合金在汽車上的用量還不大。

    未來前景：相關數據顯示，我國汽車平均用鎂量約為3kg，北美的汽車平均用鎂量也不到10 kg。但是根據美國汽車材料協會預計，隨著鎂合金技術的成熟和輕量化需求增加，到2020年，北美生產的汽車鎂合金用量將達到160kg。

    適應范圍：目前在汽車輪轂、進氣歧管、離合器、傳動外殼、齒輪箱等方面應用較多。

    4、碳纖維

    相對來說，碳纖維作為輕量化、安全性、可靠性等優異性能的輕量化材料，其前景被業界廣泛看好。據了解，碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟性，其比重不到鋼的四分之一，抗拉強度一般在3500MPa以上，是鋼的7-9倍，抗拉彈性模量為2300-43000MPa也高于鋼。

    應用難點：成本高，技術難度大。據了解，同樣是1公斤材料，鋼材需0.8-1美金，鋁材需2.4-2.6美金，而碳纖維則高達20-30美金，幾乎是鋼材的20倍。

    為了降低碳纖維的成本，目前業內采用了改性瀝青、木質素制備、聚烯烴制備、高強PANCF原絲、節能加工能源等方面技術來降低碳纖維生產成本，但大規模應用還有很長的路要走。

    碳纖維供應商：目前國際知名的碳纖維供應商有SGL（與寶馬成立了碳纖維合資公司）、Toray（與奔馳成立碳纖維合資公司，并與豐田合作）、東麗（與戴姆勒、本田有合作）等等。

    碳纖維復合材料在汽車的應用案例

    5、鈦合金

    鈦合金是一種新型結構及功能材料，具有優異的綜合性能，主要優點是密度小、比強度高，而且在地球中資源存儲量僅次于鋁、鐵、鎂，居第四位。

    適用范圍：鈦合金主要應用于汽車連桿、發動機氣門、鈦合金彈簧類等汽車零部件。去年上海車展上，來自意大利的設計公司Icona發布了Vulcano Titanium車型，新車整體車身由鈦打造，是全球首臺鈦合金超跑。新車售價為6680萬元。

    開發進展：由于鈦合金加工條件復雜，且材料成本較高，目前在車身上門的應用較為緩慢。為此，世界各國也在積極尋找新方法，選用較廉價的合金元素，采用熱加工和冷加工工藝，降低鈦合金的生產成本，達到汽車行業可接受的水平。

    6、聚碳酸酯（PC）

    聚碳酸酯（PC）具有透明、良好的抗沖擊、抗熱畸變的性能，而且耐候性好、硬度高，可應用于各類汽車零部件。

    另外，聚碳酸酯以其特殊的特點制造出特別清晰的汽車車窗，可用于側窗和后窗、全景頂篷、乃至整個后艙口。2017年，科思創在去年德國k展上發布了一輛名為“K2016”的電動概念車，車身部分外殼和腰線以上的車窗、車頂全部由聚碳酸酯材料制造。

    而從應用范圍來看，歐美地區PC聚碳酸酯產品發展起步較早、技術較為成熟，目前在汽車上的應用已超過15%，而亞太地區PC聚碳酸酯產品應用較少，不足10%，其中中國應用不達5%。

    PC聚碳酸酯在汽車領域的應用形式：PC/ABS塑料合金、TPU/PC塑料合金、PC/PMMA塑料合金、PC長纖維復合材料等等。

    7、玻璃纖維

    增強塑料玻璃纖維增強塑料是指用玻璃纖維做增強體，不飽和聚酯樹脂為基體的復合材料。

    據了解，玻璃纖維增強尼龍是在尼龍樹脂中加入一定量的玻璃纖維進行增強，從而得到的一種塑料。而寶馬的i8跑車便采用了玻璃纖維增強尼龍為原材料，降低了兩個渦輪增壓發動機的噪音，帶來了更加愉快的駕駛體驗，同時材料的輕質和高強度特性還利于減少燃料消耗和CO2 排放。

    二、部分車企的布局情況

    1、寶馬

    寶馬汽車是在碳纖維領域走在前列的廠商，不僅投入1億美元建設了碳纖維工廠（首個汽車制造商建設碳纖維工廠），還收購了全球知名的碳纖維生產商德國西格里（SGL）16%的股份，并與SGL成立了碳纖維合資公司。

    2、通用汽車

    據了解，通用正竭力將輕量化材料與創新制造工藝相結合，并將其應用到旗下新款乘用車及卡車中。其中，鋁合金是通用首選的輕量化材料，并為此開發了高強度鋼與輕量化合金的搭配使用。此外，通用還在車輛的制造過程中使用了鎂，并致力于打造碳纖維車輪項目。

    3、北汽集團

    北汽集團作為國內非常重視輕量化技術的車企之一，北汽集團先后建立了國家級汽車輕量化重點試驗室、汽車輕量化技術創新戰略聯盟，并在碳纖維材料、鋁材料、高強鋼輕量化以及結構輕量化領域不斷取得進展。

    其中，針對鎂合金方面，北汽集團從2011年開始，就相繼聯合山西聯合鎂業、寶鋼、華盛榮、鼎鑫鎂業、云海金屬等諸多企業達成合作協議。

    2017年12月，北汽新能源還與世界的輕量化技術團隊合資共建北汽新能源德累斯頓輕量化技術中心。

    4、東風汽車

    今年年初，東風汽車公司通用鑄鍛廠、湖北汽車工業學院、沈陽鑄造研究所、廣東峰華卓立科技有限公司4家單位簽署合作協議，四方將利用自身優勢，共建汽車輕量化鋁合金低壓鑄造研究中心，共同在汽車用鑄造鋁合金材料、鋁合金鑄件輕量化設計、鋁合金鑄造技術的開發與應用等方面開展全方位合作。

    5、吉利汽車

    近年來，吉利汽車重點開展了汽車輕量化專項研究，從運用輕質新材料、新工藝和實施結構輕量化等著手，已經把一些輕量化技術運用到新車開發中，包括高強度鋼板、激光拼焊技術等，以及鎂鋁合金、鋁合金等材料的運用。

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責任編輯：王元

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