新材料在汽车轻量化中的应用

工业和信息化部赛迪智库   曾昆

随着工业化和城市化进程的推进，全球对环境和资源保护的意识不断增强。世界各国在发展经济的同时，越来越注重生态环境的协调发展，绿色环保和节能减排成为发展主题。在此形势下，作为能源消耗和排放大户的汽车工业要想实现可持续发展必须降低燃油消耗，减少污染排放。

目前，主要有3种途径解决汽车的节能、环保与安全问题，一是发展新能源汽车，二是发展先进发动机技术，三是实现汽车的轻量化。新能源汽车是发展方向，但目前 受基础设施配套建设、价格和市场接受度等因素影响，进展缓慢。动力系统改进技术已经发展相当成熟，短期内进一步提升的空间不大。因此，汽车轻量化成为汽车 工业实现节能减排目标的主攻方向。

汽 车轻量化是在保证强度和安全性的前提下，尽可能降低汽车整备质量，以提高汽车的动力性，实现节能减排。据统计，汽车每减轻10%质量，就会节省6%～8 %的燃料，会使排放下降4%。汽车轻量化的实现需要材料技术、轻量化结构优化设计技术、轻量化绿色制造技术3方面的进步，是材料、设计、加工成形技术等多 方面的集成，其中材料的创新是基础和核心。为减轻汽车自重，众多汽车厂商多年来一直进行材料研发，“以铝代钢”、“以塑代钢”的口号很早就提出，但目前汽 车用主流材料仍旧是钢，且在短期之内钢的地位无法撼动。到底哪些新材料在汽车轻量化中应用，哪些因素制约了我国新材料的扩大应用？这些问题值得研究。

一、汽车轻量化新材料的应用现状

1.材料种类趋向多样化

新材料的应用是汽车实现轻量化的关键。为实现轻量化，世界各大汽车生产商和材料生产厂家一直致力于轻量化材料的研发，轻量化材料应用的多少已经成为衡量汽车 生产技术和新材料开发水平的重要标准之一。早在20世纪70年代欧美等汽车生产商就开始了汽车轻量化尝试，汽车发达国家投入了人力和财力支持汽车轻量化。 目前，用于汽车轻量化的材料主要有低密度的轻质材料和高强度材料，前者包括以铝、镁、钛合金为代表的金属材料和塑料、纤维等高分子材料，后者主要指高强度 钢。铝及合金主要用在汽车上的车轮、动力系和悬架系零部件，镁及镁合金大量用在壳体类零部件和支架类零部件，高强钢主要用在汽车的结构件、安全件和加强件 等，塑料等高分子材料逐渐在油箱、风扇叶片、翼子板等结构件上使用。

2.应用领域逐步扩大

以高强钢、铝合金、镁合金、复合材料等为代表的轻量化材料具有良好的减重效果，应用领域不断扩大，需求规模不断增长。以汽车工业最常用的轻量化材料铝合金为 例，铝合金具有密度小、比强度和比刚度高、循环利用性强、良好的导热导电性能等优势，在气缸体、壳体、转向盘骨架等零部件上大量使用，是汽车轻量化重要的 替代材料。加之铝合金加工技术不断发展成熟，通过对铝合金适当的加工与处理，铝合金强度还可以大幅提升。尽管与超高强钢相比有一定差距，但仍可以满足汽车 的很多应用，铝合金应用范围已经逐渐从车轮等零部件逐渐扩展到车身、车门和车盖。目前，已经有福特、奥迪、捷豹等汽车生产商使用全铝车身，国内奇瑞汽车等 厂家也逐渐开始全铝车身的尝试。有研究预测，未来汽车用铝规模将会进一步扩大，汽车的铝化界限可以达到30%～50%。

3.减重作用日益突出

轻量化材料的使用，可以大大减轻汽车自重，提高汽车的燃油经济性。和传统汽车材料低碳钢相比，轻量化材料较低碳钢可以减轻15%～60%的重量，如高强钢、 铝、镁、玻璃纤维复合材料可分别减轻15%～25%、40%～50%、55%～60%、25%～35%的质量。为了实现轻量化，世界主要汽车厂商都相继在 主要车型上使用轻量化材料，减重效果显著。如福特公司使用全铝车身，并在悬架系统、车门、发动机罩、保险杠等部件也使用铝合金的新款F-150车型，与现 款车型相比，减重340kg，燃油经济性提升20%；凯德拉克ATS整车使用高强和超高强钢，前副车架和发动罩使用铝合金，悬挂构件和发动机支架使用镁合 金，较钢制件减重近50%。从车身构造到内部配置，多种轻量化材料的使用不仅减轻了车身质量，也提高了安全性和舒适性。

二、我国汽车轻量化新材料应用存在的问题

我国汽车轻量化材料在应用中主要存在以下3个问题：轻量化材料普及率不高、轻量化效果不显著和后期的维护服务不到位。

1.轻量化材料普及率不高

使用轻量化材料已经在我国汽车厂商内部达成共识，但实际中轻量化材料使用率并不高。这体现在2个方面，一是轻质材料使用率偏低，如铝合金、镁合金、复合材料 等轻质材料仅在高档车上使用，且大都作为零部件，钢仍然是主要的汽车用材料。数据显示，我国钢材在汽车整车的使用比例在60%～70%。未来3～5年，钢 板特别是高强钢板的主流地位难以撼动。二是我国的高强钢板应用比例远不如国外。高强钢的应用比例低表现为高强钢的使用量和强度级别均低于国外，如国外汽车 上高强钢的使用量占汽车总量的比例达到70%，而国内只有40%左右。此外，尽管我国逐步实现了汽车用钢的国产化，已经有宝钢集团、武钢集团、鞍钢集团、 本钢集团、首钢集团等钢企具备生产汽车用高强钢的能力，但是仍有部分高档汽车面板及优质钢依赖进口，无法满足市场需求。

2.轻量化效果不显著

经过多年发展，我国汽车轻量化取得了一定的进步，但与国外先进国家相比，我国自主品牌汽车的轻量化水平整体不高。我国自主品牌轿车的自质量比发达国家重 8%～10%，若在重量相当的情况下，我国自主品牌轿车比国外同类车型的安全性差2～3个等级。我国商用车比国外同类产品重10%～15%，重型载货车平 均重20%以上。据测算，我国汽车与国外相比，每辆汽车平均消耗汽油或柴油2.5t/(车·年)，高于美国的1.6 t/(车·年)，欧洲的1.1 t/(车·年)，日本的1 t/(车·年)，导致我国单车年消耗高于欧美日同类产品，汽车的燃油经济性不高。此外，我国汽车百公里平均油耗也高于国外，汽车轻量化效果与国外相比差距 较大。

3.后期的维护服务不到位

轻量化材料在汽车上使用后，后期的保养与维修服务也很重要。和传统钢材料的后期维护服务相比，我国这方面的服务还不到位。如传统钢材料制车身受到撞击变形 后，可以通过钣金技术进行修复，且汽车修理商都能提供相关的维修和养护服务，但是铝制车身受到损坏后，钣金修复技术难度较高，相关配套维修和养护服务也比 较匮乏，大部分汽车修理商因技改成本高而无法提供后期维护服务。除了铝合金，碳纤维等其他轻量化材料也存在缺乏后续配套服务等问题。

三、制约我国汽车轻量化新材料应用的因素

汽车轻量化材料的应用要求技术上可行和经济上合理。因此，技术和成本成为了制约汽车轻量化新材料应用的最大问题，也是困扰我国新材料和汽车行业多年发展的难题。

1.技术不过关

汽车轻量化要求材料变轻、变薄，但强度不能减少甚至要提高，但材料强度提高后，加工难度也变大。如车用钢板强度提高后就要求更高的冲压工艺，以尽可能减少深 冲过程中材料的裂纹和折皱。我国很多钢厂在这方面不断加大研发投入，但仍然无法克服钢板强度和冲压之间的矛盾；此外，我国热成型高强度钢生产线主要从国外 引进，热成型技术和应用基础数据库还未建立，热冲压成形技术与国外差距较大。铝合金面临合金改良和制造工艺灵活化等技术挑战，车身成型技术、批量生产的高 速连接技术等还没有取得实质性突破；复合材料工业整体比较落后，碳纤维等高端材料核心技术掌握在日本东丽株式会社、东邦化学工业株式会社等国外少数企业手 中，国内能生产高端碳纤维的企业较少。技术不过关制约了我国汽车轻量化新材料的应用，我国高强钢、高端铝用量较国际先进水平少一半。

2.成本较高

除了技术瓶颈，使用轻量化材料带来的成本增加也影响了其普及应用。一是研发成本较高，企业得投入大量人力、物力、财力进行新材料研发，周期长，风险高，投资 回报率不确定，尽管材料企业和汽车企业都认同汽车使用轻量化材料的趋势，但是实际中只有少数企业有实力从事轻量化新材料的研发。二是材料成本过高，这主要 体现在铝、镁等合金材料以及复合材料上。和传统的铸铁、钢材相比，铝合金、镁合金、碳纤维的价格较高；和同为轻量化材料的高强钢相比，轻质材料价格也不具 有明显优势。汽车通过使用这些轻质材料减重1kg，整车企业的成本会大大增加。如奥迪早在20世纪90年代就通过技术改良实现了铝制车身，但目前为止，民 用车上仅有奥迪和捷豹路虎2家车企使用全铝车身。三是制造成本高。如铝合金因生产技术不过关和工艺流程复杂，导致生产制造成本较高。汽车面板用铝合金一旦 发生磨损或变形，还需要全部更换。除了铝合金，碳纤维也存在量产工艺不成熟、生产成本高的问题。此外，对于汽车企业而言，更换材料相应地更换生产线和设 备，企业成本将大幅增加。

四、我国推广汽车轻量化新材料的措施建议

高强钢、铝合金、镁合金、复合材料等汽车轻量化材料特性不同，用途不同，存在一定程度的替代，但不能完全替代。高强钢碰撞性能强，加工工艺成熟，成本优势明 显，但减重效果不如其他材料；铝及铝合金生产工艺比较成熟，但承载力、力学性能等与钢相比仍有差距；镁的密度低、质量轻，但造价高，全生命周期的时候碳排 放较高；塑料制品质量轻、加工性能良好，但在回收处理过程中存在环境污染问题，限制了其使用范围。因此，汽车轻量化新材料的选用是安全、性能、成本、环保 等多因素权衡的结果，多材料是汽车材料使用的基本战略。在汽车轻量化的大趋势下，推动多种汽车轻量化新材料发展势在必行。

加强上下游多方合作，推动技术创新。支持上游材料企业与下游汽车生产商开展研发合作，推广EVI模式，应用现代信息技术，丰富完善汽车材料产品设计、仿真模 拟等技术，提供良好的材料产品解决方案，为下游汽车生产商不断提供新材料和个性化服务。鼓励材料企业根据汽车厂商实际需求，优化材料结构和工艺选择，生产 轻量化、通用化、模块化、环保化的汽车零部件，培养集研发、设计、制造、服务等为一体的大型材料供应商。推动汽车生产制造商积极开展与材料企业的多向合 作，建立共同研发模式，汽车厂商及时反馈市场需求，参与新材料及新产品的开发推广，形成新材料研发联合体。

强化产学研用合作，提高自主创新能力。加大基础研究投入，鼓励高校、科研院所等开展轻量化材料基础和核心技术攻关，并加强与企业的研发合作，突破一批新技术 和产业化关键技术，加快科研成果的产业转化。支持企业引进国外先进技术进行消化吸收再利用，加强内部研发，推动企业成为应用技术的研发主体，同时鼓励企业 与高校、科研机构等共建重点实验室、工程技术研究中心等，强化外部研发，提高创新活动效率。加强政策支持，通过新材料、技改专项等资金支持汽车轻量化新材 料的研发，鼓励金融机构加大对汽车轻量化新材料项目的信贷支持力度，营造有利于轻量化材料创新发展的氛围。

加大应用市场开拓，实现规模化生产。把握汽车轻量化大趋势，积极研发新产品，找准产品定位，优化产品结构，刺激市场需求，抢占更多市场份额，带动汽车轻量化 材料的技术进步和规模化生产，实现规模经济，进而促使成本下降，进一步扩大市场需求。通过技术创新控制材料生产制造成本，注重材料的回收利用，提高材料利 用率，完善汽车轻量化材料“材料研发-原材料生产-零部件制造-整车集成应用-回收再利用”的全产业链，推动汽车轻量化材料的绿色发展，拓宽下游应用市 场。鼓励材料企业在研发生产现有汽车轻量化材料的同时，延伸产业链，完善配套服务，提高后期维护服务能力，推动轻量化材料的产业化发展。

参考文献：

[1] 张红英，欧阳八生.汽车轻量化之有效途径——高分子材料的应用[J].模具技术，2014（5）：62-66.

[2] 刘国芳，王智文.北美汽车轻量化材料技术发展动态[J].汽车工艺与材料，2014（9）：35-38.

[3] 王智文.汽车轻量化技术的发展现状初探[J].汽车工艺与材料，2009（2）：1-5，15.

原文载于《新材料产业》杂志2015年2期