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發(fa)布時間：2025-12-13 14:05:57 浏覽(lan)次數：
摘(zhāi)要：節能減排(pai)是永遠的課(ke)題，汽車輕量(liang)化是節能減(jian)排的🍓重要🤩舉(ju)措之一。汽車(che)輕量化不僅(jǐn)能有效降🎯低(dī)汽車油耗，還(hai)可以延長🌈汽(qì)車使用壽命(ming)，對汽車工業(yè)的發展和人(rén)們的生活都(dōu)具㊙️有重要意(yi)義。針對汽車(chē)輕量化材料(liào)的應用及現(xian)狀進
1 前言
“國(guo)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(chuan)統鋼材已經(jing)不能滿足汽(qi)車的質量要(yao)求，各種輕量(liàng)化材🌏料在汽(qi)車中所占比(bi)例逐漸增長(zhǎng)。随着現代汽(qi)車對強度和(he)輕量化要💰求(qiú)不斷提高，輕(qing)量化材料的(de)研發和選用(yong)顯得至關重(zhong)要，本文通🔞過(guò)分析輕量化(hua)材料的應用(yong)途徑及現狀(zhuàng)，闡述了輕量(liàng)化材料發🛀🏻展(zhan)☔所面臨的挑(tiāo)戰，并提出了(le)解決方案。
有研究(jiu)驗證了，汽車(che)每減輕0.1t，最多(duō)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(hěn)重要⭐的作用(yong)。
徐建全等[2]對(duì)純電動汽車(chē)的輕量化效(xiào)果進行分析(xi)，證明了🔞輕量(liang)化不僅可以(yǐ)節約能源，還(hai)可以在電池(chi)👣容量相同的(de)條🌏件下增加(jia)汽車的續航(háng)裏程，延長電(diàn)🛀🏻池壽命。由此(cǐ)可見，電動汽(qi)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(kě)以減輕懸挂(gua)系統的負擔(dān)🔞，減小汽車慣(guan)性[3]，對車輛起(qi)到保護作用(yòng)。
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(ké)、鋁制❌連🤟杆、尼(ni)龍複合材料(liao)儀表盤、聚碳(tan)酸酯後車窗(chuāng)🔞、碳纖維車輪(lun)毂等，使車重(zhòng)減少了25%。下面(miàn)将對目✨前常(cháng)用的輕量化(huà)材料進行介(jiè)紹。
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(wèi)首❗的超級跑(pao)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(shi)奧迪于1994年開(kai)發的🌈，如圖2所(suǒ)示，其AFS白車身(shēn)所🌈用材料⭐幾(ji)乎全是鋁材(cái)，比上一代白(bái)車身減重近(jìn)35kg。
圖2 Audi A8 D3車身
2000年奧(ao)迪公司推出(chū)的奧迪A2，首次(ci)實現了全鋁(lǚ)車身技術在(zai)微✨型轎車上(shang)的應用，其ASF車(che)身是A8之後的(de)第二代鋁制(zhì)空間車架，具(jù)有質量輕、強(qiáng)度大的優點(dian)。此外還有特(tè)斯拉、路虎、捷(jié)豹等國外品(pin)牌在汽車中(zhōng)大量使🌈用鋁(lǚ)合金🤟，獲得了(le)良好的減重(zhong)🥵效果，如2019年上(shang)市的新🔆款特(te)斯拉Model S通過大(dà)量應用鋁合(he)金，減輕了整(zhěng)車質量⭕，使其(qí)最長續航裏(li)程可達660km。我國(guó)也逐漸将全(quan)鋁車身👨❤️👨應用(yòng)于新能源汽(qì)🤩車的制造，2016年(nián)南甯市有18輛(liàng)全鋁車身新(xin)能源公交車(che)投入使用。除(chú)全鋁車身✔️外(wài)，用鋁導線大(dà)規模代替銅(tong)導線，可将導(dao)🈚線質量降低(dī)60%以上，并♍且減(jiǎn)少成本40%～50%[4]。鋁具(ju)有良好的延(yán)展性，使其能(neng)有效緩解汽(qi)車碰撞🐆時帶(dài)來的沖擊，所(suo)以鋁合金保(bǎo)險杠的耐撞(zhuang)性優于鋼制(zhi)保險杠。
據相(xiàng)關統計表明(míng)[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(yòng)鋁量将達到(dào)240kg/輛，目前中國(guo)汽車平🏃🏻均用(yong)鋁量約爲153kg/輛(liàng)，是2050年平均用(yong)鋁的64%，不論是(shi)與發達國家(jiā)平均用鋁水(shuǐ)平還👉是我國(guo)長期的🆚發展(zhan)目标都有很(hěn)大差距，因此(ci)，鋁合金在汽(qì)車上的使用(yong)仍有很🤩大的(de)提升空間。
3.1.2 鎂(mei)合金的應用(yong)
鎂合金在汽(qi)車上的應用(yong)最早可追溯(su)到1930年的德國(guó)，其用💰量僅有(yǒu)💔73.8kg。1938年大衆生産(chǎn)的“大衆1型”轎(jiào)車使用了壓(ya)鑄鎂合金制(zhì)造傳動系統(tǒng)的零部件[6]。鎂(měi)合金汽車座(zuò)💛椅也是較早(zǎo)的鎂合金汽(qì)車零部件之(zhī)一，鎂合金的(de)座椅靠背和(he)座框相比于(yu)鋼制座椅可(kě)以分别減重(zhong)47.7%和44.2%。在乘用車(che)🆚中，福特探險(xiǎn)者的第三排(pái)💘座椅靠背就(jiù)應用了壓鑄(zhù)鎂🐉合金零部(bù)件。除🔴了座椅(yǐ)骨架之外，座(zuo)椅的支撐支(zhi)架也💞可以使(shǐ)用鎂合金，可(ke)以在滿足座(zuò)椅高度需求(qiu)的同時💜減重(zhong)，座椅舒适性(xing)也可以相應(yīng)提升。
得益于(yu)其良好的電(diàn)磁屏蔽性能(neng)和高比強度(du)、高阻尼能🎯力(li)，鎂♋合金在很(hěn)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(yīng)用也越來越(yue)廣泛，如方向(xiang)盤、汽缸蓋、發(fa)動機缸體、門(men)框、進氣歧管(guǎn)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(zao)。
現在，我國汽(qì)車的用鎂量(liàng)爲1.5kg/輛，而北美(mei)爲3.8kg/輛，日本爲(wèi)9.3kg/輛，雖然與這(zhe)兩個國家有(you)一定差距，但(dan)根據《節能與(yǔ)✏️新能源汽車(che)技術路線圖(tú)⭐》，到2025年我國每(měi)輛車使用鎂(mei)合金要達到(dào)25kg，并逐步縮🌈小(xiǎo)與發達國家(jiā)🌈的差距。
雖然(rán)鎂具有很多(duo)優點，但其價(jià)格是鋁的2～3倍(bei)，鋼鐵的4倍左(zuǒ)右，比較昂貴(guì)，随着技術的(de)發展，低成本(ben)鎂合金☎️會逐(zhu)漸研發使用(yòng)[7]。此外，随着鎂(měi)合金回收再(zai)利用技術的(de)發展以及環(huán)保要求的提(tí)高，鎂在汽車(chē)領域的發展(zhǎn)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(zuo)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(chē)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(yī)直受限。20世紀(ji)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(yīng)用🌈于賽車發(fā)動機，直到20世(shi)紀末钛及钛(tai)合金才随着(zhe)豪華轎車的(de)發展得到大(dà)量應用[16]，之後(hòu)随着低成本(ben)钛合金的出(chū)現和發展，钛(tai)合金開始廣(guang)泛應用于普(pǔ)通汽車的制(zhì)造中。
有研究(jiū)證實，20kg的鋼制(zhi)汽車動力閥(fá)零件與0.8kg的钛(tài)合金零件具(jù)有相同的效(xiao)果，但其質量(liang)減低了96%。用钛(tài)合金🤟制作汽(qi)車發動機氣(qì)門可以減重(zhòng)30%～40%并提高最高(gao)轉速[7]。對于減(jiǎn)震系統，有研(yán)究表明用钛(tai)合金彈簧完(wán)全代替原來(lái)的鋼彈簧在(zai)諸多方面來(lái)說都是可行(háng)的，可使重量(liàng)減輕43.3%。
钛及钛(tài)合金在排氣(qi)系統中比較(jiào)常用，用钛制(zhi)消音💋器代替(ti)🐪不鏽鋼消音(yīn)器可以減重(zhong)40%左右，雪佛蘭(lán)克爾🌈維特Z06成(cheng)功🥰實現此替(tì)代，保證在系(xì)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(ruò)将某1500kg的中型(xíng)轎車中所有(yǒu)傳統零件替(ti)換成钛合金(jin)零件☁️，整車質(zhì)量将減少500kg左(zuǒ)右，這㊙️也就可(kě)以大🔴幅降低(dī)油耗。
目前我(wo)國已擁有生(shēng)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(gan)，所以钛合金(jīn)在汽車零部(bu)件中的應用(yong)🏃♀️一直受到限(xian)制。钛合金流(liu)動性🐪差，鑄件(jiàn)中易形成鑄(zhu)造缺陷，因此(ci)對钛合金鑄(zhù)造、加🔱工所需(xu)設備和條件(jiàn)的要求較高(gāo)，這是钛合金(jin)零部件不受(shòu)汽車廠商青(qīng)睐的✉️重要原(yuan)因之一。随着(zhe)我國科技水(shuǐ)平的迅速提(tí)升，钛及钛合(hé)金的研發飽(bǎo)受關注，必使(shǐ)钛合金朝💃着(zhe)低成本，高質(zhi)量🧡發展。而且(qie)柳寶元[9]通過(guo)實驗證明，钛(tài)合金粉末的(de)力學性能與(yǔ)粉末循環次(ci)數沒有任何(hé)明顯的關🌂系(xì)，從側面佐證(zheng)了钛合金材(cai)料的回收利(lì)用是可以實(shí)現的，并且循(xun)環利㊙️用次數(shu)不會顯著影(yǐng)響钛合金材(cai)料的性能。未(wei)來，钛及钛👣合(hé)金在汽車領(ling)域的🎯廣泛利(li)用值得期待(dai)。
在(zài)我國，2001年奇瑞(rui)汽車公司與(yu)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(du)鋼廣泛應用(yòng)于車架的🔞輕(qīng)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(dù)非常适合用(yòng)于汽車車身(shēn)結構的制造(zào)。圖3展示了高(gāo)強度鋼在車(chē)身上的應用(yòng)細節，如汽車(chē)的被動👨❤️👨安全(quan)系統部件，包(bāo)括側門防撞(zhuang)鋼梁、安全杆(gan)和保險杠系(xi)統可以🤩使用(yòng)超高強度鋼(gāng)，而車頂較少(shao)承受撞擊，則(zé)可以使用高(gāo)強度鋼。
圖3 新(xīn)一代高強度(du)鋼在車身上(shang)的應用[3]
高強(qiáng)度鋼作爲目(mu)前汽車的主(zhǔ)要輕量化材(cái)料，其強塑積(jī)（強度與塑性(xing)的乘積）不能(néng)完美配合，是(shì)所面臨的一(yi)🤞大難題，強度(dù)越💚高，塑韌性(xìng)越差，當抗拉(la)強度超過1400MPa時(shi)，高強度鋼極(ji)易發生疲勞(lao)破壞[10]。2010年，我國(guo)成功研發第(dì)3代先☀️進汽車(che)用鋼，主要包(bāo)括Q&P鋼、中Mn-TRIP鋼以(yi)及無碳化物(wu)貝氏體鋼，相(xiang)比于前兩代(dai)汽車鋼，第3代(dài)汽車鋼具有(you)高強度🙇🏻、輕量(liàng)化、低成本的(de)🙇♀️優點，而且在(zai)塑❤️性和韌性(xing)方面均有一(yī)定的提升[11]，從(cong)而受到諸多(duo)關注，目前我(wǒ)對國第3代汽(qì)車用高強度(dù)鋼的研究處(chù)于世界前列(lie)。
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(wèn)題是具有高(gāo)強塑積的汽(qi)車鋼😘闆新材(cái)料、新工💁藝的(de)📱研發，以及在(zai)高強鋼加工(gong)過程中的問(wen)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(xiàn)♍象，保證汽車(che)車身及零部(bù)✂️件形狀精度(du)🧑🏽🤝🧑🏻，還需要不斷(duàn)進行回彈控(kòng)制技術的研(yan)究[12]。
3.3 塑料和複(fu)合材料的應(ying)用
汽車塑料(liao)化是當今汽(qi)車制造的一(yi)大趨勢。車用(yòng)塑料質💔量輕(qing)、強度高，隻有(you)普通鋼材重(zhòng)量的15%～20%，比木材(cái)更輕，對汽車(chē)輕量化有極(jí)大的促進作(zuo)用。
複合(he)材料具有比(bǐ)強度和比模(mó)量高、密度小(xiǎo)，質量輕、強度(dù)高📐、安📧全等級(ji)高等優點，是(shì)汽車輕量化(hua)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(pǎn)簧與傳統材(cai)料相比減重(zhòng)76%，使用碳纖維(wei)發🥵動機罩可(ke)使發動機減(jian)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(jie)構，但在乘員(yuan)艙（Life）使用了CFRP碳(tàn)纖維增強複(fú)合材料，兼顧(gu)了強度與輕(qing)💃🏻量化。
目前碳(tàn)纖維複合材(cái)料的應用面(mian)臨兩大障礙(ài)，其一🏃🏻是制造(zao)成本，例如以(yi)碳纖維爲框(kuàng)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(shí)間成本💋，用鋼(gang)隻需1分鍾的(de)就能制造完(wan)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(ze)會成倍增長(zhǎng)，這無疑又增(zeng)加了碳纖維(wéi)複合🏒材料的(de)應用難度。
從(cong)2017年發布的《節(jiē)能與新能源(yuán)汽車技術路(lù)線圖》的要💞求(qiú)來看，到2030年，碳(tàn)纖維的使用(yong)量要達到汽(qi)車總重的5%，并(bing)且碳纖維的(de)成本也需要(yao)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(qián)很重要的一(yi)大類材料。它(tā)具有高強度(du)、高硬度、耐腐(fu)蝕等特點，以(yǐ)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(líng)部件，如陶瓷(ci)軸承、陶瓷發(fā)動機、陶瓷淨(jìng)化器載體、陶(tao)瓷刹車片和(hé)陶🐕瓷繼電器(qì)等[14]。
4 結論
汽車(che)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(he)剛度要求不(bú)斷提高的前(qián)提下汽車輕(qing)量化的道路(lu)充滿機遇和(he)挑戰。輕量化(hua)材♍料在汽車(che)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(cái)料帶來的缺(quē)陷。改善🈲材料(liao)的性能，降低(di)材料的成本(běn)以及提高材(cái)料的回🌈收利(lì)用率必将爲(wèi)各種汽車輕(qing)量化材料的(de)發⚽展提供無(wu)限可能。
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