汽車輕量化開發(fā)中的輕質(zhì)材料技術(shù)應(yīng)用

摘要：
針對(duì)汽車輕量化開發(fā)中的使用輕質(zhì)的汽車材料進(jìn)行減重的技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行介紹，分別闡述了鋁合金、鎂合金、碳纖維復(fù)合材料、可回收塑料以及發(fā)泡材料等輕質(zhì)材料在汽車輕量化開發(fā)中的新技術(shù)，并對(duì)最新使用輕質(zhì)材料的汽車輕量化開發(fā)案例進(jìn)行分析，同時(shí)指出了輕質(zhì)材料在汽車輕量化開發(fā)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的主要問(wèn)題，以及應(yīng)用前景。
關(guān)鍵字：汽車輕量化；鋁合金；鎂合金；碳纖維；發(fā)泡材料



1 引言
隨著世界范圍的能源匱乏、生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化和可持續(xù)發(fā)展的硬性要求，在當(dāng)今社會(huì)的科學(xué)技術(shù)的高速前進(jìn)的背景下，汽車行業(yè)能源經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)入門檻越來(lái)越高，無(wú)論是傳統(tǒng)燃油汽車還是新能源汽車領(lǐng)域，汽車輕量化技術(shù)已在汽車行業(yè)內(nèi)達(dá)成共識(shí)。目前，汽車輕量化的主要途徑有：在不影響使用的前提下縮小汽車外形尺寸；進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；改進(jìn)與提高制造工藝；減少鋼材使用以提高新型材料在汽車制造中的比重，如輕金屬材料(鋁、鎂等)或非金屬材料(塑料、碳釬維等)。
汽車材料是汽車品質(zhì)的基礎(chǔ)，而汽車技術(shù)的發(fā)展在很大程度上依托于汽車材料的發(fā)展，新材料的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑之一。要確保汽車的質(zhì)量，其基礎(chǔ)是汽車材料，因此，汽車輕量化的關(guān)鍵因素還是在材料的質(zhì)量和使用技術(shù)上。目前，輕質(zhì)材料在汽車輕量化技術(shù)中得到了快速應(yīng)用。關(guān)于未來(lái)汽車材料不再片面強(qiáng)調(diào)某一種輕質(zhì)化材料，而是在發(fā)揮度和安全性的前提下，盡可能降低汽車的整備質(zhì)量，從而提不同輕質(zhì)材料的優(yōu)勢(shì)，即合適的材料用在合適的部位。本文通過(guò)以下幾個(gè)案例介紹輕質(zhì)材料在汽車開發(fā)過(guò)程輕量化設(shè)計(jì)的技術(shù)應(yīng)用。
2 輕質(zhì)材料在汽車開發(fā)中輕量化應(yīng)用
在汽車工業(yè)中，輕質(zhì)材料包括鎂、鋁等低密度金屬材料和塑料、碳纖維等非金屬材料等。本節(jié)針對(duì)目前常用的輕質(zhì)材料在汽車輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。
2.1 鋁合金
與汽車用鋼鐵材料相比，鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度較高、彈性好、抗沖擊性能好，以及相當(dāng)高的再回收率、再生率等一系列優(yōu)良特征，因此受到了人們的普遍關(guān)注。未來(lái)轎車上的每一個(gè)零件都有可能用鋁合金生產(chǎn)，10-15年后會(huì)有越來(lái)越多的鋁合金用于汽車，而且鋁合金制品完全可能比塑料還輕。
近來(lái)，汽車開發(fā)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全鋁車身的批量制造工藝及產(chǎn)品，Rolls-Royce推出的一款轎車，其車身框架全部用鋁合金制成，是迄今為止在轎車上用量最大的鋁合金整體結(jié)構(gòu)。雖然鎂合金的密度更小，僅為鋁的2/3，意大利FIAT公司也成功開發(fā)鎂合金使汽車部件減輕25%，但考慮到鎂合金存在易腐蝕、強(qiáng)度相對(duì)較低、高溫蠕變抗力較差及價(jià)格等綜合因素，鋁合金無(wú)疑是現(xiàn)代汽車工業(yè)中最具競(jìng)爭(zhēng)力的輕質(zhì)材料。新能源汽車企業(yè)蔚來(lái)汽車在其江淮的智能工廠里生產(chǎn)全鋁車身的車型包括ES8和ES6。其中，ES8采用全鋁車身重量為335kg，鋁合金比重達(dá)96.4%，相比鋼材重量降低40%。但由于全鋁車身的原因，這里沒(méi)有傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊，取而代之的是鉚接、膠接，除此以外，車頂與側(cè)圍合拼工序還采用了激光焊接。
2.2 鎂合金
鎂合金是實(shí)際工程中使用最輕的金屬，具有比強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、減震性以及可加工性等都非常好的優(yōu)勢(shì)。雖然其發(fā)展速度遠(yuǎn)沒(méi)有鋁合金的發(fā)展速度快，但其應(yīng)用前景依然廣闊。目前，在輪轂、轉(zhuǎn)向柱支架、儀表橫梁、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等汽車零部件上采用鎂合金材料，產(chǎn)生了一系列工藝。具預(yù)測(cè)，出于輕量化設(shè)計(jì)的需求，每輛汽車對(duì)鎂的需求將提高至70-120kg。作為最輕的工程結(jié)構(gòu)材料，鎂合金不但受到傳統(tǒng)汽車商的青睞，而且對(duì)于新能源汽車的研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造者有極大的誘惑力。
在發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化方面，鎂合金應(yīng)用涉及發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、曲軸箱、油底殼、齒輪室及罩蓋等。如長(zhǎng)安汽車完成了發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋的研發(fā)并實(shí)現(xiàn)了規(guī)模應(yīng)用。作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)核心構(gòu)件的缸體，除寶馬鎂合金直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)一直代表著鎂合金在發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的最高水準(zhǔn)并一直在批量銷售，美國(guó)通用前幾年致力于鑄造V6鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的研制外，目前尚未見(jiàn)到更多相關(guān)研發(fā)與應(yīng)用的報(bào)道。該款寶馬鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)為克服鎂材料耐熱耐蝕性能不足而采用嵌鑄式鋁合金構(gòu)件的鎂合金復(fù)合缸體以及曲軸箱體。
在行駛與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，鎂質(zhì)方向盤骨架的生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)已成熟，并逐漸成為全價(jià)格系列汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。鎂合金在轉(zhuǎn)向器殼體、支架上也在逐漸推廣應(yīng)用。而最具節(jié)能減排潛力的鍛造鎂合金輪轂輕量化應(yīng)用，則因現(xiàn)存變形加工技術(shù)的高成本特征，其應(yīng)用僅限于高端轎跑和賽車，而只有無(wú)強(qiáng)制性安全要求的電動(dòng)助力車、沙灘車和卡丁車等四輪車的輪轂才用壓鑄方法生產(chǎn)。因此，開發(fā)低成本、高品質(zhì)的鎂合金輪轂生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)，才能為鎂合金在汽車輪轂上的規(guī)模應(yīng)用奠定技術(shù)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。
2.3 碳纖維復(fù)合材料
碳纖維(carbon fiber，簡(jiǎn)稱CF)，是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。碳纖維“剛?cè)岵?jì)” ，兼具碳材料和纖維的雙重優(yōu)良特性，其質(zhì)量比鋼、鎂、鈦、鋁輕，但強(qiáng)度、模量卻更高，并且具有耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦的特性，被業(yè)界譽(yù)為“黑色黃金”。從各項(xiàng)基本力學(xué)性能指標(biāo)來(lái)看，即便是通用型的碳纖維復(fù)合材料也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鈦合金、鎂合金。而高強(qiáng)度和高模量的碳纖維復(fù)合材料的比模量、比強(qiáng)度等指標(biāo)則比通用型更為優(yōu)秀，唯一的障礙在于目前高端碳纖維復(fù)合材料技術(shù)含量高、生產(chǎn)工藝極其復(fù)雜，導(dǎo)致成本也高于上述其他類型材料。
因此，碳纖維具有比模量和比強(qiáng)度高、減重潛力大、安全性好等突出優(yōu)點(diǎn)，并且比鋼、鎂鋁合金等具有更好的力學(xué)性能，不考慮成本前提下，是汽車輕量化最佳選擇。利用碳纖維復(fù)合材料對(duì)汽車進(jìn)行輕量化改進(jìn)在國(guó)外已開始逐步推廣應(yīng)用，以寶馬、奧迪、奔馳、通用、福特、日產(chǎn)、豐田、大眾等為代表的知名廠商已開始深入介入碳纖維產(chǎn)業(yè)，逐漸將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到旗下不同車型。碳纖維的大量使用使Polestar 1汽車減輕500磅以上的重量，并且其底盤達(dá)到高性能汽車該有的堅(jiān)固度，該車引擎蓋、后備箱、側(cè)擋板、門和整個(gè)車頂結(jié)構(gòu)都將采用碳纖維嵌板，Polestar還進(jìn)一步推出了 “蜻蜓”結(jié)構(gòu)，與蘭博基尼Huracán結(jié)構(gòu)類似。Polestar表示，蜻蜓形部件從根本上改善了車體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)（即底板中間和前后架構(gòu)之間）的抗扭剛度。得益于碳結(jié)構(gòu)更薄更堅(jiān)固的物理特性，Polestar可以利用玻璃面板延長(zhǎng)車頂長(zhǎng)度和寬度，從而獲得更低的車頂弧線，并且車內(nèi)的部件不再突出，這意味著乘客可以看到更廣闊的湛藍(lán)天空。
國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料尚處于起步階段。以奇瑞、觀致、北汽集團(tuán)為代表的國(guó)內(nèi)汽車廠商以開始在其推出的新能源電動(dòng)汽車上使用碳纖維復(fù)合材料。2017年，北汽集團(tuán)與康得復(fù)材簽訂了中國(guó)首個(gè)碳纖維汽車部件量產(chǎn)訂單，成為中國(guó)碳纖維用于汽車輕量化實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的開端。雖然前景很好，潛在需求巨大，但要將碳纖維復(fù)合材料大規(guī)模普及應(yīng)用到汽車領(lǐng)域，勢(shì)必對(duì)碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈所有環(huán)節(jié)制備技術(shù)以及制造工藝提出更為嚴(yán)格的要求，低成本是其能成功商業(yè)化應(yīng)用的必然出路。
2.4 可回收塑料
塑料以其重量輕、設(shè)計(jì)靈活、制造成本低、性能優(yōu)異、功能廣泛等特點(diǎn)脫穎而出，成為汽車制造當(dāng)中的有力替代材料，也是汽車輕量化開發(fā)的關(guān)鍵材料之一。并且，它還在安全性、低排放以及制造成本等多方面均有突破，成為當(dāng)下汽車工業(yè)首選的制造材料。目前，更多汽車公司采用可回收技術(shù)對(duì)塑料進(jìn)行再利用。
沃爾沃發(fā)布了一款XC60 T8插電式混合動(dòng)力SUV的測(cè)試車型，這款測(cè)試車型看上去與現(xiàn)有車型一模一樣，但部分塑料部件是用回收材料制成。例如，車用地毯中的纖維來(lái)自PET塑料瓶，引擎蓋下的吸音材料來(lái)自舊沃爾沃汽車座椅，另外，乘客和駕駛員座椅間，還采用了漁網(wǎng)和繩索等材料。沃爾沃首席執(zhí)行官哈坎·薩繆爾森(Hakan Samuelsson)表示，“沃爾沃汽車正致力于減小對(duì)全球環(huán)境的負(fù)面影響”。此外，據(jù)沃爾沃透露，公司正與塑料生產(chǎn)商進(jìn)行商談，以實(shí)現(xiàn)其“從2025年起，每輛新推出的沃爾沃汽車中，至少25%的塑料來(lái)自回收材料”的目標(biāo)。沃爾沃去年共售出57萬(wàn)輛汽車，其中約5%的塑料來(lái)自回收材料。沃爾沃汽車還敦促汽車行業(yè)供應(yīng)商與汽車制造商更緊密地合作，以開發(fā)更多可循環(huán)利用的零部件，尤其是在可再生塑料領(lǐng)域。
2.5 發(fā)泡材料
PP發(fā)泡材料是通過(guò)提高PP的熔體強(qiáng)度，從而提高發(fā)泡倍率而制成的低密度物質(zhì)，其具有質(zhì)輕、耐熱、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。隨著汽車輕量化的發(fā)展，選用PP發(fā)泡材料已成為汽車減重的重要途徑，目前其在汽車內(nèi)飾上的應(yīng)用也越來(lái)越多，其中PP發(fā)泡材料在各種汽車上的使用占比為轎車占45%，卡車、工程機(jī)械車占20%，客車、商務(wù)車占35%。
PP發(fā)泡材料主要為化學(xué)微發(fā)泡材料，因?yàn)槠胀ㄎl(fā)泡PP制品的表觀質(zhì)量很不理想，僅適合于需要表面覆皮的高端車，不僅增加了制造成本，也限制了 PP發(fā)泡材料的推廣和應(yīng)用；而化學(xué)微孔發(fā)泡是以熱塑性材料為基體，化學(xué)發(fā)泡劑為氣源，通過(guò)自鎖工藝使得氣體形成超臨界狀態(tài)，注入模腔后氣體在擴(kuò)散內(nèi)壓的作用下，使制品中間分布著直徑從十幾到幾十微米的封閉微孔泡。理想的泡孔直徑應(yīng)<50μｍ，但目前國(guó)內(nèi)行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的微發(fā)泡PP的微泡孔直徑約為80～350μｍ。對(duì)于微孔發(fā)泡主要有注塑微發(fā)泡、吹塑微發(fā)泡和擠出微發(fā)泡等，注塑微發(fā)泡適用于各種汽車內(nèi)外飾件，如車身門板、尾門、風(fēng)道等；擠出微發(fā)泡適用于密封條、頂棚等；吹塑微發(fā)泡適用于汽車風(fēng)管等。
利用微發(fā)泡技術(shù)可使 PP制品的質(zhì)量減少約10%～20%，較傳統(tǒng)材料在部件上可實(shí)現(xiàn)最高50%的減重，注射壓力降低約30%～50%，鎖模力降低約20%，循環(huán)周期減少10%～15%；同時(shí)還能提高汽車的節(jié)能性，較傳統(tǒng)材料可實(shí)現(xiàn)最高30%的節(jié)能，并且能改善制品的翹曲變形性，使產(chǎn)品和模具的設(shè)計(jì)更靈活；在一些部件中，如汽車風(fēng)管、風(fēng)道，還可實(shí)現(xiàn)隔熱、降噪的效果，減少后道工序的成本。例如，密度為0.06g/cm3輻射交聯(lián)PP高發(fā)泡片材具有良好的力學(xué)性能，作為汽車車頂，可降低汽車的質(zhì)量，同時(shí)其還可用于汽車的內(nèi)飾件，有利于汽車的輕量化。
3 總結(jié)
從以上的分析來(lái)看，輕質(zhì)材料在汽車輕量化開發(fā)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而且從目前的趨勢(shì)來(lái)看，隨著材料成本的進(jìn)一步降低，輕質(zhì)材料車體的開發(fā)在未來(lái)數(shù)年內(nèi)或許會(huì)迎來(lái)一個(gè)爆發(fā)期。在汽車工業(yè)發(fā)展的道路中，一定會(huì)出現(xiàn)更多的新的輕質(zhì)材料應(yīng)用在汽車輕量化設(shè)計(jì)中，汽車制造技術(shù)也將會(huì)越來(lái)越先進(jìn)，質(zhì)量也會(huì)不斷提高。



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