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能給汽車減負的輕量化材料

2019-02-28 12:07:13 作者： Matplus 來源：材料十分享至：

當汽車油耗壓力步步緊逼，當續航里程短板亟待補齊，能夠緩解這兩大壓力的輕量化已逐漸成為新車的重要標簽，而比起結構上的優化或是制造工藝提升，車企及零部件企業的側重點似乎更多地放在輕質材料的開發及應用方面。從目前來看，隨著輕量化概念的持續升溫，傳統材料未來將面臨大范圍的更新及替換，而輕質材料之間也將掀起新一番的激烈競爭。

1.高強度鋼

鋼材一直是最主要的汽車材料，即使在輕量化要求加大的今天，這一格局也仍未發生變化。預計到2025年，鋼材在汽車中的應用比例仍然會達到在50%以上。當然，這里的鋼材更多指的是高強度鋼，它是在普通鋼材的基礎上進一步提升性能，能夠達到減重以及提高碰撞安全性的效果，在汽車底盤橫梁加強板、懸架支架、發動機支架等等部件廣泛應用。盡管其成本相比普通鋼材有所增加，但是相較于其它輕質材料而言技術成熟，成本較低，有著明顯的優勢，是汽車制造行業未來五年甚至更長時間內的發展重點。

一款車的安全大致可以分為兩類，主動安全和被動安全，其中主動安全被各種高科技配置代替，諸如各種雷達和攝像頭等其他感應裝置，可以通過收集數據來方便車主操控汽車，而被動安全中，車身強度就是個非常重要的指標，按照力學上的劃分，鋼材有抗拉強度和屈服強度，簡單來說屈服強度高的材料，可以承受更大的破壞，具有更高的安全性。

（屈服強度金屬材料發生屈服現象時的屈服極限，也就是抵抗微量塑性變形的應力。對于無明顯屈服現象出現的金屬材料，規定以產生0.2%殘余變形的應力值作為其屈服極限，稱為條件屈服極限或屈服強度。）鋼材的強度提升之后，可以在保證車身安全的情況下，采用更強更少的材料，大幅度減少車身配重，實現車輛的輕量化設計。大量采用高強度鋼材料，能夠保證甚至提高車輛的安全性，還可以達到節能環保更加經濟的目的。

應用于汽車領域的高強度鋼根據強化機理的不同，可分為高強度鋼（High StrengthSteel；HSS）和先進高強度鋼（（Advanced High Strength Steel；AHSS），先進高強度鋼延塑性更好，在滿足工藝性能的同時也具有更高的輕量化潛力。

高強度鋼屈服強度情況

目前，國際主流車型的高強度鋼占車身的比例已達70%以上，其中自主品牌中高強鋼的應用已達45%。據了解，中國是高強度鋼應用最普遍的國家，車身使用比例接近50%,預計未來可高達60-65%,但是超高強度和先進高強度鋼材大幅落后，目前使用比例僅有5%,預計未來將有3倍提升空間。

高強度鋼能夠大大增加車身各個零件的抗變形、抗扭曲能力，提高能量吸收能力和擴大彈性應變性。一般來說，高強度鋼使用率越高，汽車車身剛性越好，但是，高強度鋼在材料加工方面有著很多問題，在可焊接性方面比低碳鋼要差很多，因此，高強度鋼的使用并不僅僅是成本問題！還有加工工藝和技術的問題。

2.合金材料

可持續發展是環境保護的一項重要舉措，同時也是人類終將走向的未來。在環境問題日益嚴峻的今天，來自汽車的污染顯得尤為突出，不斷升級的排放法規也“逼迫”各個車企絞盡腦汁鉆研如何節能減排。逐步拋棄燃油車選擇新能源是國家大力倡導的新趨勢，在此過程中，汽車的輕量化尤為重要。歐洲鋁業協會研究顯示汽車每減重 100 公斤，二氧化碳排放可減少 1公斤。

所謂的輕量化并不是為了減少車重而“不擇手段”，它的意義是在保障乘員安全、不改變車身剛度、強度的前提下，盡可能減少車重，而我們常見的合金材料的使用就是很好的例子。汽車制造中常用的合金有鋁合金和鎂合金。

奧迪A8全鋁車身

鋁合金

僅次于鋼材的汽車用金屬材料，主要應用于一些結構件、沖壓件，還可用于車廂、車身等。鋁的密度僅有鋼鐵的 1/3，導熱性卻比鐵高出3倍有余。最值得一提的是，鋁代鋼的結構設計優化可以實現二次減重，效果可直接減重50%-100%。相關研究表明，汽車使用1 kg鋁可替代自重2.25 kg鋼材，減重比例高達125%，整個使用壽命周期內可減少廢氣排放20 kg。

汽車用鋁優勢

由此可見，鋁合金憑借其高強度、可循環性、耐腐蝕、密度低等優質性能成為汽車減重首選材料，鋁材在汽車上的使用量將快速增長。相關數據顯示，2017年中國汽車平均用鋁量為105Kg/輛，明顯低于歐美140~150Kg/輛的現有水平，而且歐美單車用鋁量還將進一步提升至300Kg/輛。如果按照150Kg/輛計算，預期 2021 年國內汽車用鋁估計達到521萬噸。而根據相關機構測算，鋁合金在汽車中的使用空間最高可達540kg，可使汽車減重40%。由此看來，鋁合金在汽車中的應用還有很大空間。

鎂合金

鎂是常用金屬結構材料最輕的一種，密度只有1.74g/cm3，是鋁的2/3，鋼的2/9。采用鎂合金能減輕整車重量，可在鋁輕量的基礎上再減輕15%～20%。鎂合金的比強度（抗拉強度與密度之比值）遠高于鋁和鋼，鎂合金的剛度隨厚度的增加而成立方比增加，對用鎂合金制造剛性好的整體構件十分有利。鎂合金具有良好的阻尼系數，減振量大于鋁合金和鑄鐵，用于殼體可以降低噪聲，用于座椅、輪轂可以減少振動，提高了汽車的安全性和舒適性。

目前，鎂合金在汽車輪轂、進氣歧管、離合器、傳動外殼、齒輪箱等方面應用較多，且有不斷增加的趨勢。不過，由于成本及相關技術方面的原因，目前汽車鎂合金總的用量還不大。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。

我國汽車用鎂合金產量占全球的21.9%，但消費量僅占全球的16.0%。我國鎂合金還有一些技術難題亟待突破，包括較低的耐蝕性能、較低的疲勞性能、較低的蠕變性能等。

純電動鎂合金公交車

全球鎂合金在汽車領域的應用已經迎來發展的戰略機遇期：

一方面，全球節能減排政策不斷趨嚴，推動汽車輕量化，而鎂合金是最輕的金屬結構材料；另一方面，汽車產業不斷進行結構調整，智能汽車、新能源汽車獲得市場青睞，發展前景較好，而這些領域對汽車輕量化的需求更為迫切。

此外，汽車用鎂合金的技術不斷突破，應用范圍已經逐漸能夠與鋁合金相媲美，是鋁合金良好的替代材料。在良好的戰略機遇下，鎂合金在汽車領域的應用將迅速增加，發展前景廣闊。

2011-2016年全球汽車用鎂合金產銷量分析

3. 碳纖維復合材料

如果說高強度鋼是通過增加強度而降低鋼材使用量，鎂鋁合金是通過降低材料密度來替換原有鋼材，從而達到輕量化的目標。那么下面說到的材料，既降低了材料密度，強度也有大幅度提升。

碳纖維復合材料應用將成未來車身結構輕量化的主要途徑。

碳纖維復合材料之前主要應用在航空航天領域，比如，波音787表面的90%都是碳纖維復合材料，碳纖維復合材料占結構重量的50%。伴隨航空技術向乘用車領域轉移，碳纖維復合材料在很多特性上超越傳統材料，將成為汽車車身機構輕量化中材料的主要方向。無論是車企還是消費者，首先需要考慮問題就是安全。汽車車身輕，在碰撞時攜帶的動能就小，車身受到的壓力就小，進而提升汽車的安全性。

在汽車眾多輕量化材料中，碳纖維復合材料兼具質輕、高強、抗沖擊和耐腐蝕等優異特點。在滿足安全前提下，碳纖維車身減少的重量是鋁合金等材料的2倍。用碳纖維復合材料結構取代目前的鋼體車身，可使減重幅度高達60%，進而提高30%以上的燃油效率，平衡新能源汽車上額外的電池重量。

汽車輕量化材料屬性對比

碳纖維復合材料車身結構給汽車帶來的好處不僅僅是減重。

安全性

車身輕量化可以使整車的重心下移，提升了汽車操縱穩定性，車輛的運行將更加安全、穩定。除此以外，碳纖維復合材料還具有極佳的能量吸收率，碰撞能量吸收能力是鋼的五到六倍、鋁的四到五倍，這使其具有優越的安全性能。

舒適度

碳纖維復合材料具有更高的震動阻尼，輕合金需要9秒才能停止震動，碳纖維復合材料2秒就能停止，故碳纖維應用在汽車上，對于整車NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）的提升貢獻同樣很大，會大幅增強汽車行駛的舒適性。

可靠性

碳纖維復合材料具有更高的疲勞強度，鋼和鋁的疲勞強度是抗拉強度的30-50%，而碳纖維復合材料可達70-80%，因此汽車上應用碳纖維復合材料對于材料疲勞可靠性有較大提升。

豐田燃料電池客車SORA

碳纖維復合材料總裝環節少，規模化應用具備產業可行性

價格高和加工效率低是阻礙碳纖維復合材料大規模使用的主要因素。目前碳纖維復合材料的成本達到20美元/kg，與此同時鋼的成本是0.8~1.0美元/kg，鋁合金的成本2.5美元/kg，鎂合金的成本3.75美元/kg。汽車金屬零件一般采用沖壓制成，1分鐘內即可完成，而碳纖維復合材料制品生產所需的編織、注膠和冷卻工序需要數小時，這也制約碳纖維材料的大規模量產。

碳纖維復合材料未來空間巨大，隨著相關研究的逐步推進，預計2020年之后，碳纖維復合材料的成本將降至70元/kg，生產效率提升至2分鐘/件，良品率也將提升至95%。

《節能與新能源汽車技術路線圖》要求

根據國家汽車減重要求推算，到2025年國內汽車及電動車預計將分別達到3000萬輛和600萬輛，按照分別減重25%和50%的標準，對碳纖維的需求至少將達到10萬噸，市場空間可達百億級！

假設每輛汽車采用100Kg的碳纖維來代替鋁合金（150Kg），每輛汽車每年行駛里程2萬公里，按7元/kg（97#汽油）價格計算，如果碳纖維的價格能下降至60元/kg（行業龍頭Toray的T700級別碳纖維價格約150元/Kg），其經濟性將與鋁合金（40元/kg）不相上下。

國內汽車碳纖維復合材料尚處于試水階段，而國外已開始大力推廣，需求逐漸增加。若未來成本進一步下降，碳纖維勢必逐步提高汽車市場滲透率，并逐漸普及，巨大汽車市場需求將迎來爆發。

4.其他輕量化材料

工程塑料也是汽車的一個輕量化材料，它還有一個專業的名字叫聚碳酸酯，許多車燈外殼、儀表盤就是用它制造的。由于具有透明的特點，很早就有人提出用它來替代汽車的車窗玻璃和擋風玻璃，而科思創的概念車則更是夸張，直接使用了聚碳酸酯材料制造了整個駕駛艙，不僅降低了車身重量，同時也為我們帶來了一個透明駕駛艙的前衛汽車。

近些年，隨著可持續發展概念深入人心，汽車設計師們紛紛開始放棄鋼材、石化材料，轉而將目光投向了可再生的植物。植物的質量比起鋼材，顯然要更輕，目前他們除了充當內飾提升質感外，也有了一些更重要的作用。

去年日本的研發人員用木漿制成了一種新型材料，它屬于纖維素納米纖維，與碳纖維性質相當，同時他們還表示將在2020年造出使用這一材料制成的原型車；福特方面也表示他們將使用竹子結合塑料制造一些電纜、冷卻風扇。米其林方面透露消息稱，他們將使用木材來充當輪胎填充物，以改變輪胎對于石油行業的依賴，同時這些木材將從工業廢料中提取，很好的貫徹了可持續發展，米其林表示希望在2020年之前完成對此類輪胎的概念驗證。