1  前言

“國六(liù)”排放标準即将(jiāng)正式實施，汽車(chē)輕量化的發展(zhan)越來越緊迫，傳(chuán)統鋼材已經不(bú)能滿足汽車的(de)質量要求🌐，各種(zhong)❌輕量化材料在(zài)汽車中所占比(bi)例逐漸增長。随(sui)着現代汽車對(duì)強度和輕量化(hua)要求不斷提高(gao)，輕量化材料的(de)研發和選用顯(xian)得至關重要，本(běn)文通過分析輕(qing)量化材料的應(ying)用途徑及現狀(zhuàng)，闡述了輕量化(hua)材料發展🔞所面(mian)臨的挑戰，并提(tí)出了解決方案(àn)。

2  汽車輕量化的(de)意義

有研究驗(yan)證了，汽車每減(jiǎn)輕0.1t，最多可節約(yue)燃油0.6L/100km，并且⛱️可減(jian)少CO2排放11g/100km[1]，大量的(de)研究都證明汽(qi)車輕量化對于(yú)降低燃油汽車(chē)油耗、滿足節能(neng)環保要求有很(hěn)重要的作用🏒。

徐(xú)建全等[2]對純電(diàn)動汽車的輕量(liàng)化效果進行分(fen)析，證明🌈了輕量(liang)化不僅可以節(jiē)約能源，還可以(yǐ)在電池容量相(xiàng)同的條件下增(zeng)加😘汽車的續航(háng)裏程，延長電池(chí)壽命。由此可🚶見(jian)，電動汽車的輕(qīng)量化🚶在提高電(dian)動汽車性能方(fang)面也有很重要(yào)的作用。此外，減(jiǎn)少汽車的質量(liàng)還可以減輕懸(xuan)挂系統的負擔(dan)，減小汽車慣性(xing)[3]，對車輛起到🐆保(bao)護作用。

3  輕量化(huà)材料的應用

如(ru)圖1所示，福特的(de)新輕型汽車通(tōng)過使用碳纖維(wei)油底🏃‍♀️殼、鋁制連(lian)杆、尼龍複合材(cai)料儀表盤、聚碳(tàn)酸酯後車窗、碳(tan)纖維車輪毂等(deng)，使車重減少了(le)25%。下面将對目前(qian)常用的輕量化(huà)材料進行介紹(shào)。

圖1 汽車輕量化(huà)的途徑

3.1 有色合(he)金材料

3.1.1 鋁合金(jīn)的應用

鋁合金(jīn)早在1899年便在汽(qì)車中應用，到了(le)20世紀90年代以讴(ōu)歌NSX爲首的💁超級(ji)跑車在汽車制(zhì)造中使用鋁。全(quan)球第一輛具有(you)全鋁車身的汽(qì)車是奧迪于1994年(nian)開發的🥰，如圖2所(suo)示，其AFS白車身所(suo)💞用材料幾乎全(quan)是鋁材，比上🧡一(yī)代白車🔴身減重(zhòng)近🈚35kg。

圖2 Audi A8 D3車身

2000年奧(ào)迪公司推出的(de)奧迪A2，首次實現(xian)了全鋁車身技(jì)術在微型轎車(che)上的應用，其ASF車(che)身是A8之後的第(dì)二代鋁制空間(jiān)車架，具有🔴質量(liàng)輕、強度大的優(you)點。此外還㊙️有特(tè)斯拉、路虎、捷豹(bào)等國外品牌在(zài)汽車中大量使(shǐ)用鋁合金，獲得(de)了良好的減重(zhong)效果，如2019年上市(shi)的新款特斯拉(lā)Model S通🍓過大量應用(yong)鋁合金，減輕🌈了(le)整車質量♉，使其(qí)最長續航裏程(chéng)可達660km。我國也逐(zhu)漸将全鋁車身(shēn)應用于新能源(yuan)汽車的制☎️造，2016年(nian)南甯市有18輛全(quan)鋁車身新能源(yuán)公交車投入使(shi)用。除全鋁車💋身(shēn)外，用鋁導線大(dà)規模代替銅導(dǎo)線，可将導線質(zhi)量降低60%以上，并(bing)且減少成本40%～50%[4]。鋁(lü)具有良好🌍的延(yan)展性，使其能有(you)效緩解汽車碰(peng)撞時帶來的沖(chong)擊，所以鋁合金(jin)保險杠的☁️耐撞(zhuang)性優于鋼制保(bǎo)險杠。

據相關統(tong)計表明[5]，全球平(ping)均用鋁量逐年(nián)攀升，預計🚶‍♀️到2050年(nian)平均㊙️汽車用鋁(lü)量将達到240kg/輛，目(mu)前中國汽車平(píng)均用鋁量約爲(wei)💃🏻153kg/輛，是2050年平均用(yong)鋁的64%，不論是與(yǔ)發達國家平均(jun1)用鋁✉️水平還是(shì)我國🏃🏻‍♂️長期的發(fa)展目标都有很(hen)大差距，因此，鋁(lü)合金在汽車上(shang)的使用仍有很(hen)㊙️大的提升空間(jian)。

鋁合金雖然具(ju)有輕量化、成型(xíng)性高的特點，但(dan)其應用也受到(dao)一些限制。首先(xian)，鋁合金的高強(qiang)度是比強✉️度，即(jí)強度🌍與密度的(de)比值，但相比于(yú)傳統的鋼材，鋁(lü)及鋁合🛀金的強(qiáng)度和硬度都比(bi)較低，在保證汽(qì)車的安全性上(shàng)💔具有一定☂️挑戰(zhàn)。其次🍉，鋁及鋁合(he)金的産量相比(bǐ)于傳統鋼材也(ye)有很❌大差距，并(bìng)且暫時沒有超(chao)🚶‍♀️過鋼材的可能(néng)。最後，鋁的價格(gé)📱比傳統鋼材高(gāo)，而且鋁材在汽(qì)✌️車行業💰應用的(de)興起有可能造(zao)成鋁價的進🙇‍♀️一(yi)步上升，在一定(dìng)😘程度上也會影(ying)響鋁材的應用(yong)。

3.1.2 鎂合金的應用(yòng)

鎂合金在汽車(che)上的應用最早(zao)可追溯到1930年的(de)德國，其用量僅(jǐn)有73.8kg。1938年大衆生産(chǎn)的“大衆1型”轎車(che)使用了壓鑄鎂(mei)合金制造傳動(dòng)系統的零部件(jian)[6]。鎂合金汽車座(zuò)椅也是較早的(de)鎂合金汽車零(ling)部件之一，鎂合(he)金的座椅靠背(bèi)和座框相比于(yú)鋼制🌈座椅可以(yi)分别減重47.7%和44.2%。在(zai)乘用車中，福特(te)探險者的第三(san)排座椅靠背就(jiù)應用了壓鑄💋鎂(mei)合金零部件。除(chu)㊙️了座椅骨架之(zhī)✍️外，座椅的支撐(cheng)支架也㊙️可以使(shi)用鎂合金，可以(yi)在滿足座椅高(gao)度需求的同時(shí)減重，座椅舒适(shi)性⭕也可以相應(yīng)提升。

得益于其(qí)良好的電磁屏(ping)蔽性能和高比(bi)強度、高阻尼能(néng)力，鎂合金在很(hen)多領域都體現(xiàn)出比鋁和鋼更(geng)好的使用性能(neng)，在汽車領域的(de)應用也越來越(yue)廣泛，如方向盤(pan)、汽缸蓋、發動機(jī)缸體、門框、進氣(qì)歧管以及各零(ling)部件🔱安裝所需(xū)的螺釘，都💚可以(yǐ)使用鎂合金進(jin)㊙️行制造。

現在，我(wǒ)國汽車的用鎂(měi)量爲1.5kg/輛，而北美(mei)爲3.8kg/輛，日本爲9.3kg/輛(liàng)📧，雖⭐然與這兩個(gè)國家有一定差(chà)距，但根據《節能(néng)與新能源汽車(che)技術路線圖🚩》，到(dao)2025年我國每輛車(chē)使用鎂合金要(yao)達到25kg，并逐步縮(suo)💜小與發☀️達國家(jiā)的差距。

雖然鎂(mei)具有很多優點(dian)，但其價格是鋁(lǚ)的2～3倍，鋼鐵的4倍(bei)🆚左右☁️，比較昂貴(gui)，随着技術的發(fa)展，低成本鎂合(he)金會逐漸研發(fa)使✂️用[7]。此🌈外，随着(zhe)鎂合金回收再(zai)利用技術的發(fa)🈲展以及🧑🏾‍🤝‍🧑🏼環保要(yao)求的提高，鎂在(zài)汽車領域的發(fā)展形勢值得被(bèi)特殊關注。

3.1.3 钛合(hé)金的應用

钛有(yǒu)三大優點，分别(bie)是“輕”、“高強”、“不鏽(xiù)”。作爲輕金屬材(cai)料在👄汽車行業(ye)受到很多研究(jiū)者的關注[8]。

全钛(tài)汽車最早是由(you)美國通用公司(si)在1956年研發成功(gong)的“火💃鳥🔞Ⅱ”型汽車(che)，但由于钛及钛(tài)合金價格昂貴(guì)，所以在汽車領(ling)域的應用一直(zhí)♈受限。20世紀50年代(dài)日本開始研制(zhì)钛及钛合金的(de)汽車零件，20世紀(jì)60年代，钛被應用(yong)于賽車發動機(ji)，直到20世紀末钛(tài)及钛合金才随(suí)着豪華轎車的(de)發展得到大量(liang)應用[16]，之後随着(zhe)低成本钛合金(jin)的出現🌐和✨發展(zhan)，钛合金開始廣(guǎng)泛應用于㊙️普通(tōng)汽車的制造中(zhōng)。

有研究證實，20kg的(de)鋼制汽車動力(lì)閥零件與0.8kg的钛(tài)合金零件具有(you)相同的效果，但(dan)其質量減低了(le)96%。用钛合金制作(zuò)汽車發動機氣(qì)門可以減重30%～40%并(bing)提高最高轉速(sù)[7]。對于減震系統(tong)，有研究表明用(yòng)钛合金彈簧完(wán)全代替原來的(de)❌鋼彈簧在諸多(duo)方面來說都是(shì)🈲可行的，可使重(zhòng)量減輕43.3%。

钛及钛(tai)合金在排氣系(xi)統中比較常用(yong)，用钛制消音器(qi)代替不鏽鋼消(xiāo)音器可以減重(zhòng)40%左右，雪佛蘭克(kè)爾維特Z06成功實(shí)現此替代，保證(zhèng)在系統強度不(bu)變的情況下，使(shǐ)質量更輕，車速(sù)更快且✊節約燃(rán)料[7]。還有研究表(biǎo)明，若将某1500kg的中(zhōng)型轎車中所有(you)傳統零件替換(huan)成👄钛合金零件(jiàn)，整車質量将減(jian)少500kg左右，這也就(jiu)可以大幅降低(di)油耗。

目前我國(guó)已擁有生産钛(tài)及钛合金的能(neng)力，但由于钛合(he)金價格高，對工(gōng)藝參數敏感，所(suo)以钛合金在汽(qi)車零部件❤️中的(de)應用一直受到(dào)限制。钛合金流(liu)動性差，鑄件💞中(zhōng)易形🔞成鑄造缺(que)陷，因此對钛合(hé)金鑄造、加工所(suo)需設備和條件(jian)🏒的要求較高，這(zhè)是钛合金零部(bù)件不受汽車廠(chǎng)商青睐的重要(yào)原因之一。随着(zhe)我國科技水平(píng)的🤩迅速提升，钛(tai)及钛💯合金的研(yán)發飽受關注，必(bì)使钛合金朝着(zhe)低成本，高質量(liang)發展。而且柳寶(bao)元[9]通過實驗證(zheng)明，钛合金粉末(mò)的力學性☁️能與(yu)粉末循環次數(shù)沒有任何明顯(xiǎn)的關系，從側面(mian)佐證了钛合金(jīn)材料的回收利(li)用是可以實現(xian)的，并且循環利(li)🐉用次數不會顯(xian)著影響钛合金(jīn)材料的性能。未(wèi)來，钛及钛合金(jīn)在汽車領域的(de)廣泛利用值得(de)期待。

3.2 高強度鋼(gāng)的應用

國際鋼(gāng)鐵協會汽車鋼(gang)聯盟在1994年開展(zhǎn)的ULSAB計劃，1997年開展(zhan)的ULSAC、ULSAS計劃和1998年的(de)ULSAB-AVC計劃，都實現了(le)用先進高強度(du)鋼代替🌈普通低(di)碳鋼，在不增🈲加(jia)成本的基礎上(shang)爲車身🌐減重。

在(zai)我國，2001年奇瑞汽(qì)車公司與寶鋼(gang)的合作，實現了(le)在🥵試制樣車♋上(shàng)使用46%的高強度(du)鋼闆，對減重起(qǐ)到了很大的作(zuò)用。2003年，重🔞汽将🏃‍♂️高(gāo)強度鋼廣泛應(yīng)用于車架的輕(qing)量化☂️發展，成功(gōng)研制了高強度(dù)鋼單層梁車架(jià)，并🌈實現量産。

高(gao)強度鋼由于其(qí)優秀的強度非(fēi)常适合用于汽(qi)車車身結構的(de)制造。圖3展示了(le)高強度鋼在車(che)身上的應用細(xì)節，如汽車的被(bèi)動安全系統部(bù)件，包括側門防(fáng)撞鋼梁、安全杆(gǎn)和保險杠系統(tong)可以使用超高(gao)強度鋼，而車頂(dǐng)較少承受撞擊(ji)，則可以使用⛹🏻‍♀️高(gao)強度鋼。

圖3 新一(yi)代高強度鋼在(zài)車身上的應用(yong)[3]

高強度鋼作爲(wèi)目前汽車的主(zhu)要輕量化材料(liao)，其強塑積（強度(dù)與塑性的乘積(jī)）不能完美配合(he)，是所面臨❤️的一(yi)大難題，強度越(yuè)✨高，塑韌性越差(cha)，當抗拉強度超(chao)過1400MPa時，高強度鋼(gang)極易發生疲勞(lao)破壞[10]。2010年，我國成(chéng)功研⭕發第3代先(xian)進汽車用鋼，主(zhǔ)要包♈括Q&P鋼、中Mn-TRIP鋼(gang)以及無碳化物(wu)貝氏體鋼，相比(bi)于前兩代汽車(che)鋼🏃‍♂️，第3代汽車鋼(gāng)具有高強度、輕(qīng)量化、低成本的(de)優點，而且在塑(sù)性和🛀🏻韌性方面(miàn)均有一定的提(tí)🍉升[11]，從而受到諸(zhū)多關注，目前⛷️我(wǒ)對國第3代汽車(che)用高強度鋼的(de)研究❌處于世界(jiè)🎯前列。

高強度鋼(gang)與鎂合金、钛合(hé)金應用中高成(cheng)本的困擾不同(tong)✨，高🐕強度鋼面臨(lin)的問題是具有(you)高強塑積的汽(qi)💚車鋼闆新材料(liao)、新工藝的研發(fa)，以及在高強鋼(gāng)加工🔞過程中的(de)問題😍，如回彈。回(huí)彈量随初始屈(qū)服強度的增大(da)而增大，這将影(ying)響高強度鋼的(de)成形質量，增加(jia)加工難度。爲克(ke)服回彈現⭐象，保(bǎo)證汽車車身及(ji)零部件形狀精(jing)度，還需要不斷(duàn)進行回彈控制(zhì)技術🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的研究[12]。

3.3 塑(su)料和複合材料(liào)的應用

汽車塑(su)料化是當今汽(qi)車制造的一大(dà)趨勢。車用塑👄料(liao)質量輕、強度高(gao)，隻有普通鋼材(cái)重量的15%～20%，比木材(cái)更輕，對汽車輕(qīng)量化有極大的(de)促進作用。

20世紀(jì)70年代，塑料使用(yong)量占汽車總質(zhi)量的比例爲2%～3%，到(dào)20世紀🍓90年代☎️提升(shēng)至7%～9%。2007年，一款由法(fa)國研發人員研(yán)發的名爲“歡樂(le)🍓敞篷”的全塑料(liào)🐉汽車在英國上(shàng)市，整車隻有370kg，僅(jin)爲🍉普通汽車的(de)三分之一。不久(jiu)前日本的旭化(huà)📧成公司新開發(fa)了一種聚酰胺(an)泡沫塑料，這種(zhong)泡沫塑料具有(you)極好的耐熱性(xing)☁️、耐油性、剛性和(hé)降噪質量，在汽(qi)車的内飾、車頂(dǐng)、發動機、座椅和(he)地闆結構中都(dōu)可以應用，在減(jiǎn)重降噪方👣面有(yǒu)很好的效果。

複(fú)合材料具有比(bǐ)強度和比模量(liàng)高、密度小，質量(liang)輕、強❄️度高、安🌏全(quan)等級高等優點(diǎn)，是汽車輕量化(huà)的理想材料。碳(tan)纖維複合材料(liao)可以使車身、底(di)盤減重50%以上。用(yòng)碳纖維複合材(cai)料所制的闆簧(huáng)與傳統材料相(xiàng)比減重76%，使用碳(tan)纖維發動機罩(zhào)可使發動機減(jiǎn)重6kg以上[13]。以寶馬(mǎ)i8車身結構爲例(lì)，它在車身底盤(pan)（Drive）采用的是金☎️屬(shǔ)結構，但在乘㊙️員(yuan)艙（Life）使用了CFRP碳纖(xian)維增強複合材(cai)料🌈，兼顧了強度(dù)與輕量化。

目前(qian)碳纖維複合材(cai)料的應用面臨(lín)兩大障礙，其一(yi)是制造成本，例(li)如以碳纖維爲(wei)框架的座椅成(cheng)本是✂️鋼材框架(jia)的6倍✔️之高，使其(qí)👈無法大量應用(yong)于汽車；其二是(shì)時間成本，用鋼(gāng)隻需1分鍾的就(jiu)能制造完成的(de)零件用碳纖維(wei)需要5分鍾，若進(jìn)行大量生産耗(hào)費的時間則會(hui)成倍增長，這無(wú)疑又增加了碳(tàn)纖維複合材料(liào)的應用難度。

從(cóng)2017年發布的《節能(neng)與新能源汽車(che)技術路線圖》的(de)要求來看，到2030年(nian)，碳纖維的使用(yòng)量要達到汽車(che)總重的5%，并且碳(tàn)纖💘維的成本也(yě)需要大幅度降(jiang)低。

3.4 精細陶瓷的(de)應用

精細陶瓷(ci)也是當前很重(zhòng)要的一大類材(cai)料。它具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐(fǔ)蝕等特點，以及(jí)在磁、電、光、聲各(gè)🍓方面的特殊功(gōng)能，目💁前應用于(yu)汽車上多種零(ling)部件🔆，如陶瓷軸(zhóu)承、陶瓷發動機(jī)、陶瓷淨化器載(zai)體、陶瓷刹車片(piàn)和陶瓷繼電器(qi)♊等[14]。

4  結論

汽車輕(qīng)量化的材料随(sui)着科技的進步(bù)呈現出多元化(hua)的發展🏃趨🏃勢，在(zài)質量、強度和剛(gang)度要求不斷提(ti)高的前提下汽(qì)車輕量化的道(dao)路充滿機遇和(hé)挑戰。輕量化材(cái)料在汽車上的(de)🎯使用會趨向于(yú)通過多種材料(liao)的組合來彌補(bǔ)使用單一材料(liào)帶來的缺陷。改(gǎi)善材料的性能(neng)，降低材料的🏒成(chéng)本以及提高材(cái)料的回收利用(yong)率必将爲各種(zhong)汽車輕量化材(cai)料的發展提供(gong)無限可能。