1  前言

“國六(liu)”排放标準即将(jiang)正式實施，汽車(chē)輕量化的發展(zhǎn)越來越緊迫，傳(chuan)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(zai)汽車中所占比(bǐ)例逐漸增長。随(suí)着現代汽車對(dui)強度和輕量化(huà)要求不斷提高(gāo)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，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(qīng)量化材料的應(yīng)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(yàn)證了，汽車每減(jian)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(qì)車輕量化對于(yú)💃🏻降低燃油汽車(chē)油耗、滿足節能(néng)環保要求有很(hen)重要的作用。

徐(xu)建全等[2]對純電(dian)動汽車的輕量(liàng)化效果進行分(fen)析，證明了輕📱量(liàng)化不僅可以節(jiē)約能源，還可以(yi)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(chi)壽命。由此可🧑🏾‍🤝‍🧑🏼見(jian)，電動汽車的輕(qing)量化在提高電(diàn)動❓汽車性能方(fāng)面也有很重要(yao)的作用。此外，減(jiǎn)少汽車的質量(liàng)還可以減輕懸(xuán)挂系統的負擔(dān)，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(tong)過使用碳纖維(wéi)油底殼、鋁制連(lián)杆、尼龍複合材(cái)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(hua)的途徑

3.1 有色合(he)金材料

3.1.1 鋁合金(jin)的應用

鋁合金(jin)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(quán)球第一輛具有(you)全鋁車身的汽(qi)車是奧迪于1994年(nián)開發的，如圖2所(suǒ)示，其AFS白車身所(suǒ)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(chē)上的應用，其ASF車(chē)身是A8之後的第(di)二代鋁制空間(jiān)車架，具有質量(liang)輕、強度大的優(yōu)點。此外還有特(te)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(zhòng)效果，如2019年上市(shì)的新款特斯拉(lā)Model S通過大量應用(yòng)鋁合金，減輕了(le)整車質量，使其(qi)最長續航裏程(chéng)可達660km。我國也逐(zhú)漸将全鋁車身(shēn)💃應用于新能源(yuán)汽車的制造，2016年(nián)南甯💔市有18輛全(quán)鋁車身♍新能源(yuan)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(bìng)🐕且減少成本40%～50%[4]。鋁(lǚ)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(zhuàng)📧性優于鋼制保(bao)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(nián)平均汽車用鋁(lü)量将達到240kg/輛，目(mù)前中國汽車平(píng)均用鋁量㊙️約爲(wei)153kg/輛，是2050年平均用(yòng)鋁的64%，不論是與(yu)發達國家平均(jun1)用鋁水平還是(shì)我國長期的發(fā)展目标都有很(hen)大差㊙️距，因此，鋁(lǚ)🌈合金在汽☁️車上(shàng)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(dào)㊙️一些限制。首先(xian)，鋁合金的高強(qiang)度是比強度，即(ji)強度與密✊度的(de)比值，但相比于(yú)傳統的鋼材，鋁(lǚ)及鋁合金的強(qiang)度和硬度都比(bǐ)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(bing)且暫時沒有超(chāo)過鋼材的可能(néng)。最後，鋁的價格(ge)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(ding)程度上也會影(yǐng)響鋁材的應用(yong)。

3.1.2 鎂合金的應用(yong)

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(měi)合金制造☂️傳動(dong)系統的零部件(jiàn)[6]。鎂合金汽車座(zuò)椅也是較早的(de)鎂合金汽車零(líng)部件之👌一，鎂合(he)金的🙇🏻座椅靠背(bèi)和座框相🌈比于(yu)鋼制座椅可以(yǐ)分别減重47.7%和44.2%。在(zài)乘用車🐇中，福特(te)探險😘者的第三(sān)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(shǐ)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(shì)性也可以相應(yīng)🔴提升。

得益于其(qí)良好的電磁屏(píng)蔽性能和高比(bi)強度、高阻尼能(néng)⛹🏻‍♀️力，鎂⚽合金在很(hěn)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(yi)使用鎂合金進(jìn)♌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(neng)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(jia)💃🏻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(bèi)左😍右，比較昂貴(guì)，随着技術的發(fa)展，低成本鎂合(hé)金會逐漸研發(fā)使用[7]。此外，随着(zhe)鎂合金回收再(zai)利用技術的發(fā)展以及環保要(yao)求的提🌈高，鎂在(zai)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(bié)是“輕”、“高強”、“不鏽(xiù)”。作爲輕金屬材(cái)料在汽車行業(yè)受到很多研究(jiu)者的關注[8]。

全钛(tài)汽車最早是由(you)美國通用公司(sī)在1956年研發成功(gōng)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(zhi)受限。20世紀50年代(dài)日本開始研制(zhi)钛及钛合金的(de)汽🙇‍♀️車零件，20世紀(jì)60年代，钛被應用(yòng)💚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(jīn)的出現和發展(zhǎn)，钛合金開始廣(guǎng)泛應用于普通(tong)汽車的制🔞造中(zhong)。

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(zuo)汽車發動機氣(qì)門可👈以減重30%～40%并(bing)提高最高轉速(su)[7]。對于減震系統(tǒng)，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(shi)可行的，可使重(zhòng)量減輕43.3%。

钛及钛(tài)合金在排氣系(xì)統中比較常用(yong)，用钛制消音器(qì)代替不鏽鋼消(xiāo)音器可以減重(zhong)40%左右，雪佛蘭克(ke)爾維特Z06成功實(shí)現💘此替代，保證(zheng)在系統強度不(bú)變的情況下，使(shǐ)質量更❓輕，車速(su)💃更快且節約燃(rán)料[7]。還有研究🐅表(biao)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(jiù)可以大幅降低(dī)油耗。

目前我國(guó)已擁有生産钛(tai)及钛合金的能(néng)力，但由于钛合(hé)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(he)金鑄造、加工所(suo)需設備和條件(jiàn)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(ping)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(bǎo)元⭕[9]通過實驗證(zhèng)明，钛🌈合金粉末(mò)的力學性🧑🏾‍🤝‍🧑🏼能與(yǔ)粉末循環次數(shu)沒有任何明顯(xiǎn)的關系，從側面(miàn)佐證了钛合金(jin)材料的回收利(lì)用是可以實現(xian)的，并且循環利(li)🌂用次數不會❤️顯(xiǎn)著影響钛💋合金(jīn)材料的性能。未(wei)來，钛🏃🏻及钛合金(jin)在汽車領域的(de)廣泛💛利用值得(de)期待。

3.2 高強度鋼(gang)的應用

國際鋼(gāng)鐵協會汽車鋼(gang)聯盟在1994年開展(zhan)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(jiā)成本的基礎上(shang)爲車身減重。

在(zài)我國，2001年奇瑞汽(qi)車公司與寶鋼(gāng)的合作，實現了(le)在試制樣💯車上(shang)使用46%的高強度(dù)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(ying)用于車架的輕(qīng)量化♈發展，成功(gong)研制了高強度(dù)鋼單層梁車架(jia)，并實現量産。

高(gao)強度鋼由于其(qi)優秀的強度非(fei)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(chē)身上的應用細(xì)節，如汽車的被(bèi)動安全系統部(bu)件，包括側門防(fáng)撞鋼梁、安全杆(gan)和保險杠系統(tong)可以使用超高(gao)強度鋼，而車頂(ding)較少承受撞擊(jī)，則可以使用高(gāo)強度鋼⭐。

圖3 新一(yī)代高強度鋼在(zai)車身上的應用(yong)[3]

高強度鋼作爲(wei)目前汽車的主(zhu)要輕量化材料(liào)，其強塑🙇🏻積（強度(du)與㊙️塑性的乘積(jī)）不能完美配合(hé)，是所面臨💃🏻的一(yi)大難題，強度越(yue)♌高，塑韌性越差(chà)，當抗拉強度超(chao)過1400MPa時，高強度鋼(gang)極易發生疲勞(láo)破壞[10]。2010年，我國成(chéng)功研發第3代先(xiān)進汽車用鋼，主(zhu)要包括Q&P鋼、中Mn-TRIP鋼(gāng)以及無碳化物(wu)貝氏體鋼，相比(bǐ)于前兩代汽車(che)鋼，第3代汽車鋼(gang)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(mian)均有一定的提(ti)✔️升[11]，從而受💔到諸(zhu)多關注，目前我(wo)對國第3代汽車(chē)🔞用高強度鋼的(de)研究處于世界(jie)前列。

高強度鋼(gang)與鎂合金、钛合(he)金應用中高成(chéng)本的困擾不🆚同(tóng)㊙️，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(liào)、新工藝的研發(fā)，以及在高強鋼(gang)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(kè)服回彈現‼️象，保(bao)證汽車車身及(jí)零部件形狀精(jing)度，還需要不斷(duan)進行回彈控制(zhì)技術的研⭕究[12]。

3.3 塑(sù)料和複合材料(liào)的應用

汽車塑(sù)料化是當今汽(qì)車制造的一大(da)趨勢。車用塑🈲料(liao)質量輕、強度高(gāo)，隻有普通鋼材(cái)重量的15%～20%，比木材(cai)更輕，對汽車輕(qing)量化有⛹🏻‍♀️極大的(de)促進作用。

20世紀(ji)70年代，塑料使用(yong)量占汽車總質(zhì)量的比例爲2%～3%，到(dào)20世紀90年代🍉提升(sheng)至7%～9%。2007年，一款由法(fǎ)國研發人員研(yán)發的名爲“歡樂(lè)敞篷”的全塑料(liao)汽車在英國上(shang)市，整車隻有370kg，僅(jǐn)爲普通汽車的(de)三分之一。不久(jiǔ)前日本的旭化(huà)成公司新開發(fā)了一種聚酰胺(àn)泡沫塑料，這種(zhong)泡沫塑料具有(yǒu)極好的耐熱性(xìng)、耐油性、剛性和(he)降噪質量⭕，在汽(qi)車的内飾、車頂(dǐng)、發動機、座椅和(hé)地闆結構中都(dou)可以應用，在減(jian)重🌈降噪方🔱面有(yǒu)很好的效果。

複(fu)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(quán)🌏等級高等優點(dian)，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(dǐ)盤減重50%以上。用(yong)碳纖維複合材(cái)料所制的闆簧(huáng)與傳統材料相(xiang)比🆚減重76%，使用✔️碳(tàn)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(li)，它在車身底盤(pan)（Drive）采用的是金🐪屬(shu)結構，但在乘員(yuán)艙（Life）使用了CFRP碳纖(xian)維增強複合材(cái)料，兼顧了強度(du)與輕量化。

目前(qián)碳纖維複合材(cái)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(qi)無法大量應用(yòng)于汽車；其😘二是(shì)時☎️間成本，用鋼(gang)隻需1分鍾🔞的就(jiù)能制造完成的(de)🔞零件用碳纖維(wéi)需要☀️5分鍾，若進(jìn)行大量生産耗(hao)費的時間則會(huì)成倍增長，這無(wú)疑又增加了碳(tàn)纖維複合🌐材料(liao)的應用♌難度。

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

3.4 精細陶瓷的(de)應用

精細陶瓷(ci)也是當前很重(zhong)要的一大類材(cai)料。它具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐(fu)蝕等特點，以及(jí)在磁、電、光、聲各(gè)方面的特殊功(gong)能，目前應🚶‍♀️用于(yú)汽車上多種零(líng)部件，如陶瓷軸(zhou)承、陶瓷發動機(jī)、陶瓷淨化器🆚載(zai)體、陶瓷刹車片(pian)和陶瓷繼電器(qi)🐕等[14]。

4  結論

汽車輕(qing)量化的材料随(sui)着科技的進步(bu)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(tí)高🏃‍♀️的前提下汽(qi)車🤟輕量化的道(dao)路充滿機遇和(he)挑戰。輕量化材(cai)🔅料在汽車上的(de)💞使用會趨向于(yu)通過多種材🈲料(liào)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(cheng)本以及提高材(cai)料的回🌈收利用(yong)率必将爲各種(zhong)汽車輕量化材(cái)料的發展提供(gòng)無限可能。