1  前言

“國(guo)六”排放标準(zhun)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(qì)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(hé)輕㊙️量化要求(qiu)不斷提高，輕(qing)量化材料的(de)研發和選用(yòng)顯得至關重(zhong)要，本文通過(guò)分析輕量化(huà)材料的應📧用(yong)途徑及現狀(zhuang)，闡述了輕量(liang)化材料發🍉展(zhǎn)所面臨的挑(tiao)戰，并提出了(le)解決方案。

2  汽(qi)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(you)0.6L/100km，并且可💋減少(shao)CO2排⭐放11g/100km[1]，大量的(de)研究都證明(míng)汽車輕量化(hua)對于降低燃(ran)油汽車🏃🏻油耗(hao)、滿足節能環(huan)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(liang)化不僅可以(yi)節約能源，還(hái)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(cǐ)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(cǐ)外㊙️，減少汽車(chē)的質量還可(ke)以減輕懸挂(guà)系統的負擔(dan)，減小汽車慣(guan)性[3]，對車輛起(qǐ)到保護作用(yong)。

3  輕量化材料(liào)的應用

如圖(tú)1所示，福特的(de)新輕型汽車(che)通過使用碳(tàn)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(chuang)、碳纖維車輪(lún)毂等，使🐆車重(zhong)減少了25%。下面(miàn)将對目前常(chang)用的輕量化(hua)材料進行介(jiè)紹。

圖1 汽車輕(qing)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(yòng)，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(zhì)造中使用鋁(lǚ)。全球🏃‍♀️第一輛(liàng)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(suo)示，其AFS白車身(shen)所用材料幾(ji)乎全是鋁材(cai)，比上一代白(bai)車身減重近(jin)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(dian)。此外還有特(te)斯拉、路虎、捷(jie)豹等👌國外品(pǐn)⛷️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(tè)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(lǐ)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(liang)全鋁車身♌新(xin)能源公交車(chē)投入使用。除(chú)全鋁車身外(wai)，用鋁導線大(dà)規模代替銅(tong)導線，可将導(dǎo)線質量降低(di)60%以上，并且減(jian)少成本40%～50%[4]。鋁具(jù)有良好的延(yan)展性，使其能(néng)有效緩解汽(qì)車碰撞時帶(dai)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(xiang)關統計表明(ming)[5]，全球平均用(yong)鋁量逐年攀(pan)升，預計到2050年(nian)平均汽車用(yòng)鋁量将達到(dao)240kg/輛，目前中國(guó)汽車平均用(yòng)鋁量約爲153kg/輛(liang)，是2050年平均用(yòng)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(zhǎn)目标都有很(hen)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。

鋁(lǚ)合金雖然具(ju)有輕量化、成(chéng)型性高的特(tè)點，但其應用(yong)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(dan)相比于傳統(tǒng)的鋼材，鋁‼️及(ji)鋁合㊙️金的強(qiáng)度和硬度都(dōu)比較低，在保(bǎo)證汽車的安(an)全性上具有(yǒu)一定挑戰。其(qi)次，鋁及鋁合(he)金的産量⛱️相(xiang)比于傳統鋼(gang)材也有很大(dà)差距，并且🛀暫(zàn)時沒有超㊙️過(guò)鋼材的可能(néng)。最後，鋁的價(jia)格比傳統鋼(gang)材高，而且鋁(lǚ)材在汽車行(háng)業應用的興(xìng)起有可🌂能造(zào)成鋁價的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻進(jìn)一步上升，在(zai)一定程度上(shang)也會影響鋁(lü)材的應用。

3.1.2 鎂(mei)合金的應用(yong)

鎂合金在汽(qì)車上的應用(yong)最早可追溯(sù)到1930年的德國(guó)，其用量僅有(you)73.8kg。1938年大衆生産(chan)的“大衆1型”轎(jiào)車使用了壓(ya)鑄鎂合金制(zhi)造傳動系統(tong)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(ke)以分别減重(zhòng)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(zhu)鎂合金零部(bù)件。除了座椅(yi)骨架之外，座(zuo)✊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(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(lì)，鎂合金在很(hen)多領域都體(tǐ)現出比鋁和(hé)鋼更好的使(shi)用性能，在汽(qì)車領域的應(ying)用也越來越(yue)廣泛，如方向(xiàng)盤、汽缸蓋、發(fa)動機缸體、門(mén)框、進氣歧管(guǎn)以及🌏各零部(bu)件安裝所需(xū)的螺釘，都🐇可(kě)以使用❗鎂合(hé)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(měi)爲3.8kg/輛，日本爲(wei)9.3kg/輛，雖⛹🏻‍♀️然與👣這(zhè)🔴兩個國家有(yǒu)一定差距，但(dàn)根據《節能與(yu)新能源汽車(chē)技術路‼️線圖(tu)》，到2025年我國每(měi)輛車使用鎂(měi)合金要達到(dào)25kg，并逐步縮🛀小(xiao)與發達國家(jia)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(bèi)，鋼鐵的👅4倍左(zuo)右，比較⭐昂貴(gui)，随着技術的(de)發展，低成本(běn)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(huán)保要求的提(tí)高，鎂在汽車(che)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(yòng)

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(hang)🧡業受到很多(duo)研究者的關(guān)注[8]。

全钛汽車(chē)最早是由美(mei)國通用公司(si)在1956年研發成(cheng)功的🈚“火鳥Ⅱ”型(xing)汽車，但由于(yu)钛及钛合金(jīn)價格昂貴，所(suo)以在汽車領(lǐng)👄域的應用一(yī)直受限。20世紀(ji)50年代日本開(kai)始研制钛及(ji)钛合✏️金的汽(qi)🍓車零件，20世紀(jì)60年代，钛被應(ying)用于賽車發(fa)動機，直到20世(shì)紀末钛及钛(tai)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(guǎng)泛應用于🚶‍♀️普(pu)通汽車的制(zhi)造中。

有研究(jiū)證實，20kg的鋼制(zhì)汽車動力閥(fa)零件與0.8kg的钛(tài)合金零件🤟具(ju)有🧑🏾‍🤝‍🧑🏼相同的效(xiao)果，但其質量(liàng)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(gāo)轉速[7]。對于減(jian)震系統，有研(yan)究表明用钛(tài)合金📞彈簧完(wan)全代替原來(lái)的鋼彈簧在(zai)諸多方面⛹🏻‍♀️來(lái)說都是可行(hang)的，可❄️使重量(liàng)減輕43.3%。

钛及钛(tai)合金在排氣(qì)系統中比較(jiào)常用，用钛制(zhì)消音器❤️代替(ti)不鏽鋼消音(yīn)器可以減重(zhong)40%左右，雪佛蘭(lan)克爾維特Z06成(chéng)功實現此替(tì)代，保💋證在系(xì)統強度不變(biàn)的情🌐況下，使(shi)✔️質量更輕，車(che)速更快且🐆節(jiē)約燃料[7]。還有(yǒu)研究表明，若(ruò)将某1500kg的中型(xíng)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(zuǒ)右，這也就可(ke)以大幅降低(dī)油耗。

目前我(wǒ)國已擁有生(sheng)産钛及钛合(he)金的能力，但(dàn)由于♌钛合金(jīn)📱價🤟格高，對工(gong)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(liú)動性差，鑄件(jiàn)中易形成鑄(zhu)造缺陷，因此(cǐ)對钛合金鑄(zhu)造、加工所需(xū)設備和條件(jian)的要求較高(gāo)，這是钛合金(jīn)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(ti)升，钛及钛🌈合(hé)金的研發飽(bao)受關注，必使(shǐ)钛合金朝着(zhe)低成本，高質(zhi)量發展。而且(qiě)柳寶元[9]通過(guo)實驗證明，钛(tai)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(xi)，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(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(li)用值得期待(dài)。

3.2 高強度鋼的(de)應用

國際鋼(gāng)鐵協會汽車(chē)鋼聯盟在1994年(nian)開展的ULSAB計劃(huà)，1997年開展❌的ULSAC、ULSAS計(jì)劃和1998年的ULSAB-AVC計(ji)劃，都實現了(le)用先進高強(qiang)度鋼🌐代替普(pu)通低碳🌈鋼，在(zài)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(yu)寶鋼的合作(zuò)，實現了在試(shi)🤩制樣車上使(shi)用46%的高強度(du)鋼闆，對減重(zhong)起到了很大(dà)的作用。2003年，重(zhòng)汽将高強度(du)鋼廣泛應用(yòng)于車架的🔞輕(qing)量化發展，成(cheng)功研制了高(gao)強度鋼單層(ceng)梁車架，并實(shí)現量産。

高強(qiáng)度鋼由于其(qi)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(gāo)強度鋼在車(chē)身上的應用(yòng)細節，如汽⚽車(chē)的被動🔞安全(quán)系統部件，包(bāo)括側門🈲防撞(zhuàng)鋼梁、安全杆(gan)和保🐕險杠系(xì)統可以使用(yong)超高強度鋼(gang)，而車頂較少(shao)承受撞擊，則(ze)可以使用🧡高(gāo)強度鋼。

圖3 新(xīn)一代高強度(dù)鋼在車身上(shang)的應用[3]

高強(qiáng)度鋼作爲目(mù)前汽車的主(zhu)要輕量化材(cai)料，其強塑積(jī)（強度與✨塑性(xing)的乘積）不能(neng)完美配合，是(shì)所面臨的一(yī)大難題，強度(dù)越🐕高，塑韌性(xìng)越差，當抗拉(lā)強度超過1400MPa時(shi)，高強度鋼極(ji)易發生疲勞(láo)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(bāo)括Q&P鋼、中Mn-TRIP鋼👌以(yǐ)及無碳✔️化物(wù)貝氏體👣鋼，相(xiang)比于前兩代(dài)汽車鋼，第3代(dai)汽車鋼🔴具有(you)高強度、輕量(liang)化、低成本的(de)優點，而且在(zài)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(wǒ)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(yu)鎂合金、钛合(hé)金應用中高(gao)成本的困擾(rao)不同，高🚩強度(dù)鋼面臨的問(wèn)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(wen)題📐，如回彈。回(huí)彈量随初始(shǐ)屈服強度的(de)增大而增大(da)，這将影響高(gao)強度🐕鋼的成(cheng)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(duan)進行回彈控(kong)制技術的研(yán)究[12]。

3.3 塑料和複(fu)合材料的應(yīng)用

汽車塑料(liao)化是當今汽(qì)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(ji)大的促進作(zuò)用。

20世紀70年代(dai)，塑料使用量(liàng)占汽車總質(zhi)量的比例爲(wei)2%～3%，到🥰20世紀💚90年代(dai)提升至7%～9%。2007年，一(yī)款由法國研(yan)發人員研發(fa)的名爲“歡樂(le)敞篷🚶”的全塑(sù)料汽車在英(ying)國上市，整車(chē)隻有370kg，僅爲🌈普(pu)通汽車的三(san)分之一🤟。不久(jiǔ)前日本的旭(xù)化成公司新(xin)開發了一👈種(zhǒng)聚酰胺💰泡沫(mò)塑料，這種泡(pao)沫🔅塑料具有(you)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(fa)動機、座椅和(hé)地闆結構中(zhong)都💛可以應用(yong)，在減重🧡降噪(zao)方面有很好(hǎo)的效果。

複合(hé)材料具有比(bǐ)強度和比模(mo)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(hua)的理想材料(liao)。碳纖維複合(he)材料可以使(shi)車身、底盤減(jian)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(wéi)發動機罩可(ke)使發動機減(jiǎn)重6kg以上[13]。以寶(bǎo)馬i8車身結構(gòu)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(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(cái)料的應用面(mian)臨兩大障礙(ai)，其一是制💰造(zào)成本，例如以(yǐ)碳纖維爲框(kuang)架的座椅成(cheng)本是鋼材🐪框(kuang)架的6倍之高(gao)，使其無法大(dà)量應用于汽(qì)車；其💋二是時(shí)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(yao)5分鍾，若進行(háng)大量生産耗(hao)費的時間則(ze)會成倍增長(zhang)，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(lu)線圖》的要求(qiu)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻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(yī)大類材料。它(tā)具有高強度(dù)、高硬度、耐腐(fǔ)蝕等特點，以(yi)及在磁、電、光(guāng)、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(jìng)化器載體、陶(táo)瓷刹車片和(hé)陶瓷繼電器(qi)等[14]。

4  結論

汽車(che)輕量化的材(cai)料随着科技(jì)的進步呈現(xian)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(qing)量化的道路(lu)充滿機遇和(he)挑戰。輕量化(huà)材料在汽車(che)上的使用會(hui)😄趨向于通過(guo)多種材㊙️料的(de)組合來彌補(bǔ)使用單一材(cái)料帶來的缺(quē)陷。改善🍉材料(liào)的性能，降低(dī)材料的成本(běn)以及提高材(cái)料的回收利(li)用率必💰将爲(wèi)各種汽車輕(qīng)量化材料的(de)發展提供無(wu)限可能。