能给汽车减负的轻量化材料

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

当汽车油耗压力步步紧逼，当续航里程短板亟待补齐，能够缓解这两大压力的轻量化已逐渐成为新车的重要标签，而比起结构上的优化或是制造工艺提升，车企及零部件企业的侧重点似乎更多地放在轻质材料的开发及应用方面。从目前来看，随着轻量化概念的持续升温，传统材料未来将面临大范围的更新及替换，而轻质材料之间也将掀起新一番的激烈竞争。

1.高强度钢

钢材一直是最主要的汽车材料，即使在轻量化要求加大的今天，这一格局也仍未发生变化。预计到2025年，钢材在汽车中的应用比例仍然会达到在50%以上。当然，这里的钢材更多指的是高强度钢，它是在普通钢材的基础上进一步提升性能，能够达到减重以及提高碰撞安全性的效果，在汽车底盘横梁加强板、悬架支架、发动机支架等等部件广泛应用。尽管其成本相比普通钢材有所增加，但是相较于其它轻质材料而言技术成熟，成本较低，有着明显的优势，是汽车制造行业未来五年甚至更长时间内的发展重点。

一款车的安全大致可以分为两类，主动安全和被动安全，其中主动安全被各种高科技配置代替，诸如各种雷达和摄像头等其他感应装置，可以通过收集数据来方便车主操控汽车，而被动安全中，车身强度就是个非常重要的指标，按照力学上的划分，钢材有抗拉强度和屈服强度，简单来说屈服强度高的材料，可以承受更大的破坏，具有更高的安全性。

（屈服强度金属材料发生屈服现象时的屈服极限，也就是抵抗微量塑性变形的应力。对于无明显屈服现象出现的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值作为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。）钢材的强度提升之后，可以在保证车身安全的情况下，采用更强更少的材料，大幅度减少车身配重，实现车辆的轻量化设计。大量采用高强度钢材料，能够保证甚至提高车辆的安全性，还可以达到节能环保更加经济的目的。

应用于汽车领域的高强度钢根据强化机理的不同，可分为高强度钢（High StrengthSteel；HSS）和先进高强度钢（（Advanced High Strength Steel；AHSS），先进高强度钢延塑性更好，在满足工艺性能的同时也具有更高的轻量化潜力。

高强度钢屈服强度情况

目前，国际主流车型的高强度钢占车身的比例已达70%以上，其中自主品牌中高强钢的应用已达45%。据了解，中国是高强度钢应用最普遍的国家，车身使用比例接近50%,预计未来可高达60-65%,但是超高强度和先进高强度钢材大幅落后，目前使用比例仅有5%,预计未来将有3倍提升空间。

高强度钢能够大大增加车身各个零件的抗变形、抗扭曲能力，提高能量吸收能力和扩大弹性应变性。一般来说，高强度钢使用率越高，汽车车身刚性越好，但是，高强度钢在材料加工方面有着很多问题，在可焊接性方面比低碳钢要差很多，因此，高强度钢的使用并不仅仅是成本问题！还有加工工艺和技术的问题。

2.合金材料

可持续发展是环境保护的一项重要举措，同时也是人类终将走向的未来。在环境问题日益严峻的今天，来自汽车的污染显得尤为突出，不断升级的排放法规也“逼迫”各个车企绞尽脑汁钻研如何节能减排。逐步抛弃燃油车选择新能源是国家大力倡导的新趋势，在此过程中，汽车的轻量化尤为重要。欧洲铝业协会研究显示汽车每减重 100 公斤，二氧化碳排放可减少 1公斤。

所谓的轻量化并不是为了减少车重而“不择手段”，它的意义是在保障乘员安全、不改变车身刚度、强度的前提下，尽可能减少车重，而我们常见的合金材料的使用就是很好的例子。汽车制造中常用的合金有铝合金和镁合金。

奥迪A8全铝车身

铝合金

仅次于钢材的汽车用金属材料，主要应用于一些结构件、冲压件，还可用于车厢、车身等。铝的密度仅有钢铁的 1/3，导热性却比铁高出3倍有余。最值得一提的是，铝代钢的结构设计优化可以实现二次减重，效果可直接减重50%-100%。相关研究表明，汽车使用1 kg铝可替代自重2.25 kg钢材，减重比例高达125%，整个使用寿命周期内可减少废气排放20 kg。

汽车用铝优势

由此可见，铝合金凭借其高强度、可循环性、耐腐蚀、密度低等优质性能成为汽车减重首选材料，铝材在汽车上的使用量将快速增长。相关数据显示，2017年中国汽车平均用铝量为105Kg/辆，明显低于欧美140~150Kg/辆的现有水平，而且欧美单车用铝量还将进一步提升至300Kg/辆。如果按照150Kg/辆计算，预期 2021 年国内汽车用铝估计达到521万吨。而根据相关机构测算，铝合金在汽车中的使用空间最高可达540kg，可使汽车减重40%。由此看来，铝合金在汽车中的应用还有很大空间。

镁合金

镁是常用金属结构材料最轻的一种，密度只有1.74g/cm3，是铝的2/3，钢的2/9。采用镁合金能减轻整车重量，可在铝轻量的基础上再减轻15%～20%。镁合金的比强度（抗拉强度与密度之比值）远高于铝和钢，镁合金的刚度随厚度的增加而成立方比增加，对用镁合金制造刚性好的整体构件十分有利。镁合金具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，用于壳体可以降低噪声，用于座椅、轮毂可以减少振动，提高了汽车的安全性和舒适性。

目前，镁合金在汽车轮毂、进气歧管、离合器、传动外壳、齿轮箱等方面应用较多，且有不断增加的趋势。不过，由于成本及相关技术方面的原因，目前汽车镁合金总的用量还不大。相关数据显示，我国汽车平均用镁量约为3kg，北美的汽车平均用镁量也不到10 kg，但是根据美国汽车材料协会预计，随着镁合金技术的成熟和轻量化需求增加，到2020年，北美生产的汽车镁合金用量将达到160kg。

我国汽车用镁合金产量占全球的21.9%，但消费量仅占全球的16.0%。我国镁合金还有一些技术难题亟待突破，包括较低的耐蚀性能、较低的疲劳性能、较低的蠕变性能等。

纯电动镁合金公交车

全球镁合金在汽车领域的应用已经迎来发展的战略机遇期：

一方面，全球节能减排政策不断趋严，推动汽车轻量化，而镁合金是最轻的金属结构材料；另一方面，汽车产业不断进行结构调整，智能汽车、新能源汽车获得市场青睐，发展前景较好，而这些领域对汽车轻量化的需求更为迫切。

此外，汽车用镁合金的技术不断突破，应用范围已经逐渐能够与铝合金相媲美，是铝合金良好的替代材料。在良好的战略机遇下，镁合金在汽车领域的应用将迅速增加，发展前景广阔。

2011-2016年全球汽车用镁合金产销量分析

3. 碳纤维复合材料

如果说高强度钢是通过增加强度而降低钢材使用量，镁铝合金是通过降低材料密度来替换原有钢材，从而达到轻量化的目标。那么下面说到的材料，既降低了材料密度，强度也有大幅度提升。

碳纤维复合材料应用将成未来车身结构轻量化的主要途径。

碳纤维复合材料之前主要应用在航空航天领域，比如，波音787表面的90%都是碳纤维复合材料，碳纤维复合材料占结构重量的50%。伴随航空技术向乘用车领域转移，碳纤维复合材料在很多特性上超越传统材料，将成为汽车车身机构轻量化中材料的主要方向。无论是车企还是消费者，首先需要考虑问题就是安全。汽车车身轻，在碰撞时携带的动能就小，车身受到的压力就小，进而提升汽车的安全性。

在汽车众多轻量化材料中，碳纤维复合材料兼具质轻、高强、抗冲击和耐腐蚀等优异特点。在满足安全前提下，碳纤维车身减少的重量是铝合金等材料的2倍。用碳纤维复合材料结构取代目前的钢体车身，可使减重幅度高达60%，进而提高30%以上的燃油效率，平衡新能源汽车上额外的电池重量。

汽车轻量化材料属性对比

碳纤维复合材料车身结构给汽车带来的好处不仅仅是减重。

安全性

车身轻量化可以使整车的重心下移，提升了汽车操纵稳定性，车辆的运行将更加安全、稳定。除此以外，碳纤维复合材料还具有极佳的能量吸收率，碰撞能量吸收能力是钢的五到六倍、铝的四到五倍，这使其具有优越的安全性能。

舒适度

碳纤维复合材料具有更高的震动阻尼，轻合金需要9秒才能停止震动，碳纤维复合材料2秒就能停止，故碳纤维应用在汽车上，对于整车NVH（噪声、振动与声振粗糙度）的提升贡献同样很大，会大幅增强汽车行驶的舒适性。

可靠性

碳纤维复合材料具有更高的疲劳强度，钢和铝的疲劳强度是抗拉强度的30-50%，而碳纤维复合材料可达70-80%，因此汽车上应用碳纤维复合材料对于材料疲劳可靠性有较大提升。

丰田燃料电池客车SORA

碳纤维复合材料总装环节少，规模化应用具备产业可行性

价格高和加工效率低是阻碍碳纤维复合材料大规模使用的主要因素。目前碳纤维复合材料的成本达到20美元/kg，与此同时钢的成本是0.8~1.0美元/kg，铝合金的成本2.5美元/kg，镁合金的成本3.75美元/kg。汽车金属零件一般采用冲压制成，1分钟内即可完成，而碳纤维复合材料制品生产所需的编织、注胶和冷却工序需要数小时，这也制约碳纤维材料的大规模量产。

碳纤维复合材料未来空间巨大，随着相关研究的逐步推进，预计2020年之后，碳纤维复合材料的成本将降至70元/kg，生产效率提升至2分钟/件，良品率也将提升至95%。

《节能与新能源汽车技术路线图》要求

根据国家汽车减重要求推算，到2025年国内汽车及电动车预计将分别达到3000万辆和600万辆，按照分别减重25%和50%的标准，对碳纤维的需求至少将达到10万吨，市场空间可达百亿级！

假设每辆汽车采用100Kg的碳纤维来代替铝合金（150Kg），每辆汽车每年行驶里程2万公里，按7元/kg（97#汽油）价格计算，如果碳纤维的价格能下降至60元/kg（行业龙头Toray的T700级别碳纤维价格约150元/Kg），其经济性将与铝合金（40元/kg）不相上下。

国内汽车碳纤维复合材料尚处于试水阶段，而国外已开始大力推广，需求逐渐增加。若未来成本进一步下降，碳纤维势必逐步提高汽车市场渗透率，并逐渐普及，巨大汽车市场需求将迎来爆发。

4.其他轻量化材料

工程塑料也是汽车的一个轻量化材料，它还有一个专业的名字叫聚碳酸酯，许多车灯外壳、仪表盘就是用它制造的。由于具有透明的特点，很早就有人提出用它来替代汽车的车窗玻璃和挡风玻璃，而科思创的概念车则更是夸张，直接使用了聚碳酸酯材料制造了整个驾驶舱，不仅降低了车身重量，同时也为我们带来了一个透明驾驶舱的前卫汽车。

近些年，随着可持续发展概念深入人心，汽车设计师们纷纷开始放弃钢材、石化材料，转而将目光投向了可再生的植物。植物的质量比起钢材，显然要更轻，目前他们除了充当内饰提升质感外，也有了一些更重要的作用。

去年日本的研发人员用木浆制成了一种新型材料，它属于纤维素纳米纤维，与碳纤维性质相当，同时他们还表示将在2020年造出使用这一材料制成的原型车；福特方面也表示他们将使用竹子结合塑料制造一些电缆、冷却风扇。米其林方面透露消息称，他们将使用木材来充当轮胎填充物，以改变轮胎对于石油行业的依赖，同时这些木材将从工业废料中提取，很好的贯彻了可持续发展，米其林表示希望在2020年之前完成对此类轮胎的概念验证。