1  前言

“國(guó)六”排放标準(zhǔn)即将正式實(shí)施，汽車輕量(liang)化的發展⭕越(yue)來越緊✨迫，傳(chuán)統鋼材已經(jing)不能滿足汽(qi)車的質量要(yào)求，各種🌐輕量(liang)化材料在汽(qì)車中所占比(bǐ)例逐漸增長(zhang)。随着現代汽(qi)車對強🈲度和(he)輕量化要求(qiu)不斷提高🈲，輕(qing)量化材料的(de)研發和選用(yong)顯得至關重(zhòng)要，本文通過(guo)分析輕量化(huà)材料的應💛用(yong)途徑及現狀(zhuang)，闡述了輕量(liàng)化材料發展(zhǎn)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻所面臨的挑(tiāo)戰🥰，并提出了(le)解決方案。

2  汽(qì)車輕量化的(de)意義

有研究(jiu)驗證了，汽車(che)每減輕0.1t，最多(duo)可節約燃油(yóu)0.6L/100km，并且可減少(shǎo)CO2排放11g/100km[1]，大量的(de)研究都證明(ming)汽車輕量化(hua)對于降低燃(ran)油汽車油耗(hào)、滿足節能環(huán)保要求有很(hen)重要的作用(yòng)。

徐建全等[2]對(duì)純電動汽車(che)的輕量化效(xiào)果進行分析(xi)，證明了輕量(liàng)化不僅可以(yi)節約能源，還(hai)可以在電池(chi)容量🧑🏾‍🤝‍🧑🏼相同🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的(de)條件下增加(jiā)汽車的續航(háng)裏程，延長電(diàn)池壽命。由此(ci)可見，電動汽(qì)車的輕量化(huà)在提高電動(dòng)汽車性能💘方(fang)面也有很重(zhong)要的作用。此(ci)外，減少汽車(che)的質量還可(ke)以減輕懸挂(gua)📐系統的負擔(dān)，減小汽車慣(guàn)性[3]，對車輛起(qi)到保護作用(yong)。

3  輕量化材料(liao)的應用

如圖(tú)1所示，福特的(de)新輕型汽車(che)通過使用碳(tan)纖維油底殼(ke)、鋁制連杆、尼(ni)龍複合材料(liao)儀表盤、聚碳(tàn)酸酯後車窗(chuāng)、碳纖維車輪(lún)毂等，使車重(zhòng)減少了25%。下面(mian)将對目前常(cháng)用㊙️的輕量化(hua)材料進行介(jiè)紹。

圖1 汽車輕(qīng)量化的途徑(jìng)

3.1 有色合金材(cái)料

3.1.1 鋁合金的(de)應用

鋁合金(jīn)早在1899年便在(zài)汽車中應用(yong)，到了20世紀90年(nian)代以🔱讴💘歌❓NSX爲(wei)🔱首的超級跑(pǎo)車在汽車制(zhi)造中使用鋁(lǚ)。全球第一輛(liang)具有全鋁車(chē)身的汽車是(shì)奧迪于1994年開(kai)發的，如圖2所(suǒ)示，其AFS白車身(shen)所用材料幾(ji)乎全是鋁材(cái)，比上一代白(bai)車身減重近(jìn)35kg。

圖2 Audi A8 D3車身

2000年奧(ào)迪公司推出(chu)的奧迪A2，首次(ci)實現了全鋁(lǚ)車身技術🌍在(zài)微型轎車上(shàng)的應用，其ASF車(che)身是A8之後的(de)第二代鋁制(zhi)空間車架，具(jù)有質量輕、強(qiang)度大的優點(diǎn)。此外還有特(te)斯拉、路虎、捷(jié)豹等國外品(pǐn)牌在汽車中(zhong)大量使用鋁(lǚ)合金🔞，獲得了(le)良好的減重(zhong)效果，如2019年上(shàng)市的新款特(tè)斯拉Model S通過大(dà)量應用鋁合(hé)金，減輕了整(zhěng)車質量，使其(qi)最長續航裏(li)程可達660km。我國(guó)💜也逐漸将全(quán)鋁車身應用(yong)于新能源汽(qi)車的制造，2016年(nian)南甯市有18輛(liàng)全鋁車身🤩新(xīn)能源公交車(chē)投♊入使用。除(chu)全鋁車身🧑🏾‍🤝‍🧑🏼外(wai)，用鋁導線大(da)規模代替銅(tong)導線🐅，可将導(dao)🙇‍♀️線質量降低(di)60%以上，并且減(jian)少成本40%～50%[4]。鋁具(ju)🐕有良好的延(yan)展性，使其能(néng)有效緩解汽(qi)車碰撞時帶(dài)來的沖擊，所(suǒ)以鋁合金保(bao)險杠的耐撞(zhuàng)性優于鋼制(zhì)保險杠。

據相(xiàng)關統計表明(ming)[5]，全球平均用(yong)鋁量逐年攀(pān)升，預計到2050年(nián)平均汽車用(yong)鋁量将達到(dào)240kg/輛，目前中國(guó)汽車平🔞均用(yong)鋁量約爲153kg/輛(liang)，是2050年平均用(yòng)鋁的64%，不論是(shì)與發達國家(jia)平均用鋁水(shui)平還是我國(guo)長期的發展(zhǎn)目标都有很(hen)大差距，因此(cǐ)，鋁♋合金在汽(qi)車上的使用(yong)仍有很🤟大的(de)提升空間。

鋁(lǚ)合金雖然具(ju)有輕量化、成(cheng)型性高的特(tè)點，但其應用(yòng)也受💁到🌈一✨些(xiē)限制。首先，鋁(lǚ)合金的高強(qiang)度是比強度(du)，即強度與密(mi)🔱度的比值，但(dàn)相比于傳統(tǒng)的鋼材，鋁及(jí)鋁合⛱️金的強(qiáng)度和硬度都(dōu)比較低，在🛀🏻保(bao)證汽車的安(an)全性上具有(you)一定挑戰。其(qi)次，鋁及鋁合(hé)金的産量相(xiang)比于傳統🌍鋼(gang)材也有很大(dà)差距，并且暫(zan)時沒有超過(guò)鋼材的可能(néng)。最後，鋁的價(jià)格比傳統鋼(gāng)材高，而且鋁(lǚ)材在汽車行(hang)業應用的興(xing)起有可能造(zao)成鋁價的進(jin)💜一步上升，在(zai)一定🔱程度上(shang)也會影響鋁(lǚ)材的應用🌈。

3.1.2 鎂(měi)合金的應用(yong)

鎂合金在汽(qì)車上的應用(yòng)最早可追溯(sù)到1930年的德國(guo)，其用量僅有(you)㊙️73.8kg。1938年大衆生産(chan)的“大衆1型”轎(jiao)車使用了壓(ya)鑄鎂合金制(zhi)造傳動系統(tong)的零部件[6]。鎂(mei)合金汽車座(zuò)椅也是較早(zǎo)的鎂合金汽(qi)車零部件之(zhī)一，鎂合金的(de)座椅靠背和(hé)座框相比于(yu)鋼制座椅可(ke)以🏃分别減重(zhòng)🛀🏻47.7%和44.2%。在乘用車(chē)中，福特探險(xian)者的第三排(pái)座椅靠背就(jiu)✨應用了壓鑄(zhù)💰鎂合金零部(bù)件。除了座椅(yǐ)骨架之外，座(zuò)椅的支撐支(zhi)架也可以使(shǐ)🔴用鎂合金✊，可(kě)以在滿足座(zuo)椅🌈高度需求(qiú)的同時🤩減重(zhong)，座椅舒适性(xing)也可以相應(ying)提升。

得益于(yú)其良好的電(dian)磁屏蔽性能(néng)和高比強度(dù)、高阻尼能🔴力(lì)，鎂合金在很(hen)多領域都體(ti)現出比鋁和(he)鋼更💛好的使(shǐ)用性能，在汽(qi)🌍車領域的應(ying)用也越來越(yue)廣泛，如方向(xiàng)盤、汽缸蓋、發(fā)動機缸體、門(men)框、進氣歧管(guan)以及☁️各零部(bu)件安裝所需(xū)的螺釘，都🔞可(ke)以使用鎂合(he)金進行制造(zào)。

現在，我國汽(qi)車的用鎂量(liang)爲1.5kg/輛，而北美(mei)爲3.8kg/輛，日本爲(wèi)9.3kg/輛，雖然與💃🏻這(zhè)🚩兩個國家有(you)一定差距，但(dàn)根據《節能與(yu)新能源汽車(chē)技術路💃🏻線圖(tú)》，到2025年我國每(mei)輛車使用鎂(mei)合金要達到(dao)25kg，并👅逐步縮小(xiao)與發㊙️達國家(jia)的差距。

雖然(ran)鎂具有很多(duō)優點，但其價(jia)格是鋁的2～3倍(bèi)，鋼鐵的4倍左(zuo)右，比較昂貴(guì)，随着技術的(de)發展，低成本(ben)鎂合金會逐(zhú)漸研發使用(yòng)[7]。此外，随㊙️着鎂(mei)合金回收再(zai)利用技術的(de)發展以及🔴環(huan)保要求的提(tí)高，鎂在汽車(chē)領域的發展(zhan)形勢值得被(bei)特🎯殊關注。

3.1.3 钛(tai)合金的應用(yong)

钛有三大優(yōu)點，分别是“輕(qīng)”、“高強”、“不鏽”。作(zuò)爲輕金屬材(cái)❗料🆚在汽車行(háng)業受到很多(duō)研究者的關(guān)注[8]。

全钛汽車(che)最早是由美(mei)國通用公司(sī)在1956年研發成(chéng)功的“火鳥🈲Ⅱ”型(xing)汽車，但由于(yú)钛及钛合金(jīn)價格昂貴，所(suǒ)以😘在汽車領(ling)域的㊙️應用一(yi)直受限。20世紀(jì)50年代日本開(kāi)始研制钛🏃🏻‍♂️及(jí)钛合金的汽(qì)車零件，20世紀(ji)60年💞代，钛被應(ying)用于賽車發(fā)♍動機，直到♋20世(shi)紀末钛及钛(tài)合金🏒才随着(zhe)豪華轎車的(de)發展得到大(da)量應用[16]，之後(hòu)随着低成本(ben)钛合金的出(chū)現💯和發展，钛(tài)合金開🤟始廣(guang)泛應用于❄️普(pu)通汽車的制(zhì)造中。

有研究(jiu)證實，20kg的鋼制(zhì)汽車動力閥(fa)零件與0.8kg的钛(tai)合金零件具(jù)有相同的效(xiào)果，但其質量(liàng)減低了96%。用钛(tai)合金制作📧汽(qì)車發動機氣(qì)門可以減重(zhong)30%～40%并提高最高(gāo)轉速[7]。對于減(jiǎn)♍震系統📞，有研(yán)究表明用钛(tài)合金彈簧完(wan)全代替原來(lai)的鋼彈簧在(zài)☂️諸多方面來(lai)說都是可行(háng)的，可🧡使重量(liang)減輕43.3%。

钛及钛(tài)合金在排氣(qì)系統中比較(jiào)常用，用钛制(zhi)消音器代替(tì)不鏽鋼消音(yīn)器可以減重(zhòng)40%左右，雪佛蘭(lan)克爾維特⚽Z06成(cheng)功實現此替(ti)代，保證在系(xi)統強度不變(biàn)的情況下，使(shǐ)質量更輕，車(che)速⛷️更快且節(jie)約燃料[7]。還有(you)研究表明，若(ruo)将某1500kg的中型(xing)轎車中所🌍有(yǒu)傳統零件替(tì)換成钛合金(jin)零件，整車質(zhì)量将減少500kg左(zuo)右，這也就可(ke)以大幅降低(di)油耗❤️。

目前我(wǒ)國已擁有生(sheng)産钛及钛合(he)金的能力，但(dan)由于钛合金(jin)價格🥵高，對工(gōng)藝參數敏感(gǎn)，所以钛合金(jin)在汽車零部(bu)件💃中的應用(yong)一直受到限(xiàn)制。钛合金流(liu)動性🏃‍♀️差，鑄件(jiàn)💃🏻中易形成鑄(zhu)造缺陷，因此(cǐ)對钛合金鑄(zhù)造、加工所需(xu)設備和條件(jian)的要求較高(gao)，這是钛🔞合金(jin)零部🔴件不受(shou)汽車👄廠商青(qīng)睐的重要原(yuán)因之一。随着(zhe)我國科技水(shuǐ)平的迅速提(ti)升，钛及钛合(hé)金的研發飽(bao)受關注，必使(shi)钛合金朝着(zhe)低成本，高質(zhi)量發展。而且(qiě)柳寶🔞元[9]通過(guò)實驗證明，钛(tài)🔞合金粉末的(de)力學性能與(yu)粉末循環次(cì)數沒有任何(hé)明顯的關系(xì)，從側面佐證(zhèng)了钛合金材(cái)料的回收利(lì)用是可以實(shí)現的，并且循(xun)環利用次數(shù)不會顯著影(yǐng)響钛合金材(cai)料的性能。未(wèi)來，钛🔱及钛合(he)金在汽車領(lǐng)域的🔴廣泛利(lì)🏃🏻‍♂️用值得期待(dai)。

3.2 高強度鋼的(de)應用

國際鋼(gang)鐵協會汽車(che)鋼聯盟在1994年(nián)開展的ULSAB計劃(huà)，1997年開展的ULSAC、ULSAS計(jì)劃🐅和1998年的ULSAB-AVC計(jì)劃，都實現了(le)用先進高強(qiang)度鋼代替🤟普(pǔ)通🔞低碳鋼，在(zai)🔞不增加成本(běn)的基礎上爲(wei)車身減重。

在(zài)我國，2001年奇瑞(rui)汽車公司與(yǔ)寶鋼的合作(zuo)，實現了在👣試(shì)制樣車上使(shi)用46%的高強度(dù)鋼闆，對減重(zhòng)起到了很大(dà)的作用。2003年，重(zhong)汽将高強度(dù)鋼廣泛應用(yong)于車架的輕(qing)量化發展，成(cheng)🐇功研制了高(gāo)強度鋼單層(céng)梁車架，并🈲實(shi)現量産。

高強(qiáng)度鋼由于其(qí)優秀的強度(du)非常适合用(yòng)于汽車車☔身(shēn)✂️結構的制造(zao)。圖3展示了高(gao)強度鋼在車(che)身上的應用(yòng)細節♌，如汽車(chē)的被動🤟安全(quán)系統部件，包(bao)括側門防撞(zhuang)鋼梁、安全杆(gǎn)和保險杠系(xi)統可以🐉使用(yong)超高強度鋼(gāng)，而車頂較少(shao)承受撞擊，則(ze)可以使用☎️高(gao)強度鋼。

圖3 新(xīn)一代高強度(du)鋼在車身上(shàng)的應用[3]

高強(qiang)度鋼作爲目(mu)前汽車的主(zhǔ)要輕量化材(cái)料，其強塑積(ji)㊙️（強度與塑性(xìng)的乘積）不能(neng)完美配合，是(shì)所面臨🤩的一(yi)大難題，強度(du)越高，塑韌性(xing)越差，當抗拉(la)強度超過1400MPa時(shí)，高強度鋼極(jí)易發🏃生疲勞(lao)破壞[10]。2010年，我國(guó)成功研發第(di)3代先進汽車(che)用鋼，主要包(bao)📞括Q&P鋼、中Mn-TRIP鋼以(yi)及無碳化物(wu)貝氏體鋼，相(xiàng)比于前兩代(dai)汽車鋼，第3代(dài)汽車鋼具有(you)高強度、輕量(liang)化、低成本的(de)🏒優點，而且在(zai)塑性和韌性(xìng)方面均有一(yi)定的提升[11]，從(cong)而受到諸多(duo)關注，目前我(wo)對國第3代汽(qi)車用高強度(dù)鋼的研究處(chù)于世界前列(liè)。

高強度鋼與(yǔ)鎂合金、钛合(hé)金應用中高(gao)成本的困擾(rǎo)不同，高強㊙️度(du)鋼面臨的問(wen)題是具有高(gao)強塑積的汽(qì)車鋼闆新材(cái)料、新工藝的(de)研發，以及在(zài)高強鋼加工(gong)過程中的問(wèn)題，如回彈。回(hui)彈量随初始(shǐ)屈服強度的(de)增大而增大(da)，這将影響高(gāo)強度鋼的成(chéng)形質量，增加(jia)加工難度。爲(wèi)克服回彈現(xian)象，保證汽車(che)🏃🏻‍♂️車身及零部(bù)🏃🏻‍♂️件形狀精度(dù)，還需要不斷(duan)進行😄回彈控(kong)制技術的研(yan)究[12]。

3.3 塑料和複(fú)合材料的應(ying)用

汽車塑料(liào)化是當今汽(qi)車制造的一(yī)大趨勢。車用(yòng)塑🛀料質🌈量輕(qīng)、強度高，隻有(yǒu)普通鋼材重(zhòng)量的15%～20%，比木材(cái)更⭐輕，對🧡汽車(che)輕量化有極(jí)大的促進作(zuò)用。

20世紀70年代(dài)，塑料使用量(liang)占汽車總質(zhi)量的比例爲(wèi)2%～3%，到✏️20世紀90年代(dài)♌提升至7%～9%。2007年，一(yī)款由法國研(yán)發人員研發(fa)的名爲“歡樂(lè)敞篷”的全♻️塑(su)料汽車在英(yīng)國上市，整車(che)隻有370kg，僅爲普(pǔ)通汽車的三(sān)分之一。不久(jiǔ)前日本的旭(xu)化成公司新(xin)開發了一🏒種(zhong)聚酰胺泡沫(mo)塑料，這種泡(pào)沫🏃塑料具有(yǒu)極好的耐熱(rè)性、耐油性、剛(gāng)性和降噪質(zhi)量🔆，在汽車的(de)内飾、車頂、發(fā)動機、座椅和(hé)地闆結構中(zhōng)都可以應用(yòng)，在減重降噪(zào)方面有很好(hǎo)的效果。

複合(hé)材料具有比(bǐ)強度和比模(mó)量高、密度小(xiao)，質量輕、強度(du)高、安全⭐等級(ji)高等優點，是(shi)汽車輕量化(huà)的理想材料(liao)㊙️。碳纖維複合(he)材料可以使(shi)車身、底盤減(jiǎn)重50%以上。用碳(tan)纖維複合♊材(cai)料所⭕制的闆(pan)✔️簧與傳統材(cai)料相比減重(zhòng)76%，使用💞碳纖維(wei)發動機罩可(kě)使發動機減(jiǎn)重6kg以上[13]。以寶(bao)馬i8車身結構(gou)爲例，它在車(chē)身底盤（Drive）采用(yòng)的是金✨屬結(jié)構，但在乘員(yuan)艙（Life）使用了CFRP碳(tan)纖維增強複(fu)合材料，兼顧(gu)了強度與輕(qing)量化。

目前碳(tàn)纖維複合材(cai)料的應用面(mian)臨兩大障礙(ài)，其一🈲是制造(zào)成♊本，例如以(yi)碳纖維爲框(kuang)架的座椅成(cheng)本是鋼材框(kuang)架的6倍之高(gāo)，使其無法大(da)量應用于汽(qì)車；其二是時(shi)間成本，用鋼(gāng)隻需1分鍾🚶的(de)就能制造完(wán)成的零件用(yòng)碳纖維需要(yào)5分鍾，若進行(háng)大量生産耗(hao)費的時間則(zé)會成☀️倍增長(zhǎng)，這無疑又增(zēng)加了碳纖維(wei)複合材料的(de)應用⭐難度。

從(cong)2017年發布的《節(jiē)能與新能源(yuan)汽車技術路(lù)線圖》的要求(qiú)🌂來看，到2030年，碳(tan)纖維的使用(yòng)量要達到汽(qì)車總重的5%，并(bìng)且碳纖🈲維的(de)成本也需要(yào)大幅度降低(di)。

3.4 精細陶瓷的(de)應用

精細陶(tao)瓷也是當前(qian)很重要的一(yi)大類材料。它(tā)具有高強度(dù)、高硬度、耐腐(fu)蝕等特點，以(yi)及在磁、電、光(guang)、聲各方面的(de)特殊功能，目(mu)前應用于汽(qi)車上多種零(ling)部件，如陶瓷(cí)軸承、陶瓷發(fā)動機、陶瓷淨(jing)化器載體、陶(tao)瓷刹車片和(he)陶瓷繼電器(qi)等[14]。

4  結論

汽車(chē)輕量化的材(cái)料随着科技(jì)的進步呈現(xiàn)出多元化💛的(de)⭐發展⛱️趨勢，在(zai)質量、強度和(hé)剛度要求不(bú)斷提高的前(qian)💜提下汽車輕(qīng)量化的道路(lu)充滿機遇和(hé)挑戰。輕量化(huà)材料在汽車(chē)上的使用會(huì)趨向于通過(guo)多種材料的(de)組合來彌補(bu)使用單一材(cai)料帶來的缺(que)陷。改善材料(liao)的性能⁉️，降低(dī)材料的成本(běn)以及提高材(cai)料的回收利(lì)用率必将爲(wei)各種汽車輕(qīng)量化材料的(de)發展提供無(wú)限可能。