當(dāng)汽車油耗壓力步步緊逼，當(dāng)續(xù)航里程短板亟待補(bǔ)齊，能夠緩解這兩大壓力的輕量化已逐漸成為新車的重要標(biāo)簽，而比起結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化或是制造工藝提升，車企及零部件企業(yè)的側(cè)重點(diǎn)似乎更多地放在輕質(zhì)材料的開發(fā)及應(yīng)用方面，例如鋁合金、鎂合金、碳纖維等復(fù)合材料的采用。并且從目前來看，隨著輕量化概念的持續(xù)升溫，傳統(tǒng)材料未來將面臨大范圍的更新及替換，而輕質(zhì)材料之間也將掀起新一番的激烈競(jìng)爭(zhēng)。
2025年前后，汽車材料仍會(huì)以鋼材為主
據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，近幾年生產(chǎn)的一輛普通轎車，其主要材料的重量構(gòu)成比大致為：鋼鐵65%-70%、有色金屬10%-15%、非金屬材料20%左右。而不可否認(rèn)，在輕量化趨勢(shì)的影響下，各種新型材料，如輕金屬材料、復(fù)合材料等將越來越多的應(yīng)用于現(xiàn)代汽車，并且難以避免地將擠壓一些傳統(tǒng)汽車材料的占比。
在近日舉辦的第二屆汽車新材料新工藝發(fā)展趨勢(shì)論壇上，一汽高工田洪福再次分享了《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》有關(guān)輕量化材料的發(fā)展目標(biāo)。其中提到，到2030年，高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例大幅增加，單車用鋁量超過350 kg，單車用鎂合金達(dá)到45kg，碳纖維使用量占車重5%。另外，盡管其中并沒有明確工程塑料及復(fù)合材料的用量，但在技術(shù)路徑中則指出會(huì)大力推進(jìn)其在汽車上的應(yīng)用。
鋼材一直是最主要的汽車材料，即使在輕量化要求加大的今天，這一格局也仍未發(fā)生變化。田洪福更是明確指出，在2025年，鋼材在汽車中的應(yīng)用比例仍然會(huì)達(dá)到在50%以上。當(dāng)然，這里的鋼材更多指的是高強(qiáng)度鋼，它是在普通鋼材的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升性能，能夠達(dá)到減重以及提高碰撞安全性的效果，在汽車底盤橫梁加強(qiáng)板、懸架支架、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等等部件廣泛應(yīng)用。盡管其成本相比普通鋼材有所增加，但是相較于其它輕質(zhì)材料而言仍較有優(yōu)勢(shì)，是行業(yè)未來五年甚至更長時(shí)間內(nèi)的發(fā)展重點(diǎn)。
輕質(zhì)材料增長加快，但仍有局限
鋁合金的用量將僅次于鋼材，這一材料除了應(yīng)用于一些結(jié)構(gòu)件、沖壓件，還可用于車廂、車身等。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2014年我國汽車單車平均用鋁量大約為92kg，歐美單車用鋁量達(dá)到150kg。而根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)測(cè)算，鋁合金在汽車中的使用空間最高可達(dá)540kg，可使汽車減重40%。由此看來，鋁合金在汽車中的應(yīng)用還有很大空間，當(dāng)然，這還仰賴于其成本方面的突破。
鎂合金是常用金屬結(jié)構(gòu)材料最輕的一種，其密度約為鋁的2/3，鋼的1/4，同時(shí)具備比強(qiáng)度高、比彈性模量大等優(yōu)點(diǎn)，在汽車中的應(yīng)用同樣在上升，目前在汽車輪轂、進(jìn)氣歧管、離合器、傳動(dòng)外殼、齒輪箱等方面應(yīng)用較多。不過，由于成本及相關(guān)技術(shù)方面的原因，目前汽車鎂合金用量還不大。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國汽車平均用鎂量約為3kg，北美的汽車平均用鎂量也不到10 kg，但是根據(jù)美國汽車材料協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，隨著鎂合金技術(shù)的成熟和輕量化需求增加，到2023年，北美生產(chǎn)的汽車鎂合金用量將達(dá)到160kg。
作為兼具輕量化、安全性、舒適度和可靠性等優(yōu)異性能的輕量化材料，碳纖維材料前景極被看好，但是在當(dāng)前階段顯然還面臨諸多挑戰(zhàn)，其中最關(guān)鍵在于成本太高。據(jù)了解，同樣是1公斤材料，鋼材需0.8-1美金，鋁材需2.4-2.6美金，而碳纖維則高達(dá)20-30美金，幾乎是鋼材的20倍。相關(guān)資料顯示，目前業(yè)內(nèi)采用了改性瀝青、木質(zhì)素制備、聚烯烴制備、高強(qiáng)PANCF原絲、節(jié)能加工能源等方面技術(shù)來降低碳纖維生產(chǎn)成本。但是從整個(gè)行業(yè)水平來看，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用則還有很長的路要走。
講成本更要講安全，汽車輕量化不宜操之過急
根據(jù)去年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》所提出的輕量化技術(shù)的發(fā)展思路，主要分三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)汽車的逐年減重。第一階段為2016年-2023年，實(shí)現(xiàn)整車比2015年減重10%。第二階段為2024年-2025年，實(shí)現(xiàn)整車比2015年減重20%。第三階段為2026年-2030年，實(shí)現(xiàn)整車比2015年減重35%。
田洪福表示，按照目前輕量化的發(fā)展情況及趨勢(shì)，以上目標(biāo)可以說是有依據(jù)的，是可以實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然也正如北汽高工鐘廣亮在此次會(huì)議期間接受蓋世汽車記者采訪時(shí)所說，這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)也并非沒有壓力。也就是說，這是需要車企下功夫去做的。
的確，業(yè)界一直期待汽車輕量化有突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但這似乎并不容易。首先是成本問題，多數(shù)輕質(zhì)材料都面臨這一因素的制約。鐘廣亮也表示，相對(duì)于技術(shù)方面的突破，輕量化所帶來的成本壓力更大。而在成本之外，還有一個(gè)問題同樣不容忽視，那就是汽車安全，盡管經(jīng)歷很長的時(shí)間讓業(yè)界明了汽車重量與汽車安全性并不成正比，但是汽車輕量化新型材料的出現(xiàn)對(duì)于測(cè)試等環(huán)節(jié)的確提出了新的要求。
清華大學(xué)蘇州汽車研究院技術(shù)經(jīng)理吳海龍表示，現(xiàn)在汽車材料比如高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、塑料復(fù)材等材料相比傳統(tǒng)車身應(yīng)用顯著增多，這些不同的材料如何應(yīng)用在車上面需要我們對(duì)材料有很好的理解，最終把恰當(dāng)?shù)牟牧蠎?yīng)用在合適的位置。
他指出，這些新的材料出現(xiàn)不同的力學(xué)特性，比如在碰撞載荷作用下大變形，各向異性和斷裂失效與傳統(tǒng)材料不一樣，還有材料的強(qiáng)度、失效特性等各個(gè)方面也需要去進(jìn)行測(cè)試。并且也只有把他們的特性研究清楚，才能夠?qū)@個(gè)材料應(yīng)用到什么部位做一個(gè)參考和依據(jù)。
不過可喜的是，材料輕量化雖缺乏“大”突破，但“小”進(jìn)展不斷，例如佛吉亞的座椅輕量化方案、泛亞的隔熱隔音材料以及索爾維的Technyl高性能材料等等。而不可否認(rèn)，這些小進(jìn)展正是汽車輕量化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。
來源：上海卡豹汽車科技
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