專訪大眾研發(fā)中心材料與制造方法部主任：談汽車材料與輕量化

對(duì)大眾集團(tuán)研發(fā)中心材料與制造方法部主任歐利弗·紹爾特博士專訪

歐利弗·紹爾特博士(Dr. Oliver Schauerte)自2015年起擔(dān)任大眾集團(tuán)研發(fā)中心材料與制造方法部主任。在《輕量化技術(shù)》對(duì)紹爾特博士的專訪中，紹爾特博士認(rèn)為，在大批量生產(chǎn)汽車中，鋼依然占據(jù)著汽車材料的主導(dǎo)地位。結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)主流方向?yàn)榛旌喜牧稀Ｔ诓稍L中，紹爾特博士展望了汽車材料發(fā)展的未來，尤其是量子計(jì)算革命為汽車材料的發(fā)展帶來的新的潛能。

問：高爾夫7是第一次新一代車型重量輕于前一代車型的高爾夫車。高爾夫車型采用的大量的鋼。就目前的情況來說，鋼屬于輕量化材料嗎？

答：目前來說，鋼依然屬于輕量化材料。在過去的十年里，鋼鐵工業(yè)和汽車制造商一起在鋼的品質(zhì)方面取得了巨大的進(jìn)步?？梢灶A(yù)期，未來鋼板的抗拉強(qiáng)度甚至可以達(dá)到2000MPa。這在十年前幾乎是不可想象的。
問：作為當(dāng)今的輕量化材料，鋼在未來能否也起到重要的作用呢？

答：當(dāng)然，每種材料都會(huì)有其相應(yīng)的作用和需求。例如，新一代奧迪A8采用了大量的鋁材。但是在大批量生產(chǎn)領(lǐng)域，鋼依然占據(jù)著主導(dǎo)地位，還有一個(gè)原因就是來自亞洲鋼鐵工業(yè)的價(jià)格壓力，因?yàn)閬喼薜貐^(qū)的鋼材更便宜。另外，鋼鐵工業(yè)也要保持更好的競爭力。
問：大眾汽車計(jì)劃到2025年成為領(lǐng)先的電動(dòng)車生產(chǎn)商。鋼在大眾的電動(dòng)車中也會(huì)起到重要作用嗎？

答：是的，大眾公司主要還是會(huì)用鋼材，因?yàn)榧瘓F(tuán)生產(chǎn)批量巨大。對(duì)于價(jià)格更高的電動(dòng)車，我們會(huì)考慮采用纖維復(fù)合材料或者是鋁材料，但是即使是針對(duì)電動(dòng)車，大眾采用的主要材料還是鋼。需要注意的一點(diǎn)是：如果在電動(dòng)車上采用輕量化，將用于輕量化的資金投入到高功率電池開發(fā)是最有效率的，因?yàn)殡姵刂亓渴莻€(gè)大問題。如果能夠提高電池的功率，就需要更少的電池。這是驅(qū)動(dòng)輕量化最簡單的方式。對(duì)于材料研究來說，這可是全新的任務(wù)領(lǐng)域。
問：對(duì)于車身、底盤或者動(dòng)力系統(tǒng)，您覺得還有哪些輕量化潛力呢？

答：針對(duì)這個(gè)問題，我認(rèn)為目標(biāo)不僅是相互矛盾的，也是很有意思的。一方面可以預(yù)測，傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)早晚有終結(jié)的一天；另一方面，我們也知道，在全世界范圍內(nèi)，傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)還會(huì)在很長的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)應(yīng)用。作為材料研究者，我們站在整個(gè)鏈條的始發(fā)點(diǎn)。從一種材料的研發(fā)到材料在發(fā)動(dòng)機(jī)或者變速器中的應(yīng)用，至少需要10-12年的時(shí)間。在材料開發(fā)時(shí)，必須要考慮到這一點(diǎn)。
問：過去的10-15年，在車身或者動(dòng)力系統(tǒng)中，又發(fā)現(xiàn)了哪些新材料呢？

答：在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，非常清楚的是混合化。如果看元素周期表的話，從純技術(shù)的角度來看，對(duì)于汽車制造來說，只有四種元素是有非常意義的：鐵/鋼、鋁、鎂和鈦。這四種元素中總會(huì)有一種要好于元素周期表中所有其它的元素。當(dāng)然，還有纖維、碳纖維和玻璃纖維，還有塑料，即熱塑性塑料和熱固性聚合物。未來將會(huì)按照定制的性能要求去開發(fā)定制的材料。這意味著，在一個(gè)構(gòu)件內(nèi)確定位置的特殊性能與其它位置的性能不同。
問：混合材料？

答：是的。傳統(tǒng)的混合材料是塑料復(fù)合材料，可以歸類為基于塑料基體的碳纖維或者玻璃纖維，沿著載荷方向布置?？梢陨筛飨虍愋裕O(shè)置與方向相關(guān)的剛度和強(qiáng)度。
最近，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)出了“三明治”材料，即外面是鋼，內(nèi)部是中性纖維的塑料?？梢韵胂?，將金屬和纖維相互連接，類似于航空工業(yè)中已知的材料Glare?；蛘呖梢栽阼T造材料中設(shè)置陶瓷顆粒，以改進(jìn)剛度。一個(gè)全新的應(yīng)用肯定是金屬3D打印。采用這個(gè)方法，不僅可以打印出三維的金屬件，還可以用粉末改變局部，局部的合金成分也可以變化，甚至能生產(chǎn)出相圖之外的局域合金。
問：新的材料要求新的生產(chǎn)技術(shù)和連接技術(shù)。將新材料帶入批量化生產(chǎn)究竟有多困難？

答：我們所處的研究領(lǐng)域要是沒有材料和制造方法是不可想象的。我們不僅是簡單地開發(fā)一種新的材料。針對(duì)每一種材料，我們都需要解答最基本的問題，要考慮到材料的可加工性，材料的成型性，材料的連接技術(shù)，材料的可獲得性，諸如此類。在材料開發(fā)中，必須要解決仿真與加工性的基礎(chǔ)問題。通常來說，我們所面臨的挑戰(zhàn)還在于，一種新材料，例如高強(qiáng)鋼，鋁合金或者是鎂合金，都應(yīng)當(dāng)能基于現(xiàn)有的生產(chǎn)裝備或多或少是可以加工的。即使是一個(gè)供應(yīng)商提供的構(gòu)件，也必須可以在相對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)過程中可以融入加工過程。例如，奧迪A8的背板單元是碳纖維復(fù)合材料。這個(gè)單元在奧迪的內(nèi)卡斯烏爾姆工廠加工完畢，然后集成到現(xiàn)有的制造過程中。
問：目前，在小批量和大批量車型中，采用的材料組合是不同的。小批量生產(chǎn)中用碳纖維復(fù)合材料和鋁，大批量生產(chǎn)中用鋼。未來，這種材料上的差別是會(huì)越來越大呢，還是會(huì)日益縮?。?br />
答：通常來說，新材料是“自上而下”進(jìn)入批量生產(chǎn)的。所以也可以理解，一旦我們決定采用一種材料，最理想的是對(duì)該材料的需求也會(huì)增加。就是說，材料生產(chǎn)商和構(gòu)件生產(chǎn)商面對(duì)的是完全不同的數(shù)量，并且可以為此高效地組織生產(chǎn)。一旦實(shí)現(xiàn)了這種效率，那么下一步就可以為下一代汽車市場服務(wù)了。
問：那樣的話，在大批量生產(chǎn)中采用鋁就不能拖太長的時(shí)間了。

答：鋁材料已經(jīng)在很多量產(chǎn)車型中得到了應(yīng)用，尤其是奧迪系列的車型。但是，如果將鋼和鋁進(jìn)行比較，可以看到，在過去的20年，鋁在加工和材料可獲得性方面明顯得到了改進(jìn)。不過，鋼也是一樣。另外，鋼的機(jī)械性能也得到了明顯的改善。就是說，鋁和鋼的競爭還是非常激烈的，對(duì)于鋁來說，進(jìn)入大批量生產(chǎn)還需要更多的努力。
問：如今，汽車對(duì)環(huán)境的影響主要是根據(jù)使用階段的排放來評(píng)估的。很多開發(fā)工作也是針對(duì)這一目標(biāo)來開發(fā)新的材料。如果將汽車對(duì)環(huán)境的影響擴(kuò)展到汽車的整個(gè)的壽命周期直至回收加以評(píng)估，材料的組合會(huì)是什么樣的？

答：如果將新的材料，例如金屬纖維三明治材料，與傳統(tǒng)的材料相比，可以看出，絕大多數(shù)新材料的生態(tài)平衡指數(shù)并不怎么好。但是，我們也知道，在量產(chǎn)車型中采用一種新材料，也會(huì)觸發(fā)其它的活動(dòng)。就是說，如果一個(gè)類似大眾集團(tuán)這樣的企業(yè)在量產(chǎn)車中采用一種特定的混合材料，到一定時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)回收材料的商業(yè)行為。此外，基于規(guī)模效應(yīng)，遲早也會(huì)出現(xiàn)能源適宜的生產(chǎn)過程和加工過程。從生態(tài)角度來看，總是先出現(xiàn)輕量化的驅(qū)動(dòng)，長期下來，在環(huán)境指數(shù)以及二氧化碳指數(shù)方面也終于會(huì)得到回報(bào)。
問：是否可以將碳纖維復(fù)合材料作為例子呢？

答：我們現(xiàn)在已經(jīng)清楚地知道，如何有效率地使用碳纖維，如何回收或者再次使用。這些想法首先在碳纖維復(fù)合材料的開發(fā)工作中產(chǎn)生的。碳纖維的生產(chǎn)非常耗能。但是如果對(duì)碳纖維有相對(duì)應(yīng)的需求，主機(jī)廠可以和碳纖維制造企業(yè)約定，生產(chǎn)碳纖維的能源要來自風(fēng)能發(fā)電或者水力發(fā)電等符合生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的來源。
問：您對(duì)復(fù)合材料的生產(chǎn)企業(yè)有什么建議，以便于他們有機(jī)會(huì)將長纖維強(qiáng)化塑料用于大批量生產(chǎn)？

答：首先要區(qū)別碳纖維和玻璃纖維。玻璃纖維非常便宜，玻璃纖維的生產(chǎn)和加工需要高度自動(dòng)化。碳纖維的價(jià)格始終過高，即使已經(jīng)取得了非常大的進(jìn)步。下一步，對(duì)于碳纖維來說，更有意義的是開發(fā)出剛度更高與/或者強(qiáng)度更好的材料，這樣可以通過減少碳纖維布置的數(shù)量來降低構(gòu)件的成本，這比單純來降低現(xiàn)有碳纖維的成本更有意義。
問：汽車材料研究接下來怎么搞呢？下一個(gè)大事件是什么？

答：我們?nèi)缃裉幵谝粋€(gè)階段，在這個(gè)階段里，材料研究擁有了全新的可能。就是說，材料的研究，不僅僅是通過在材料中這里添加百分之二那里添加百分之一的元素，以可能提高百分之三的抗拉強(qiáng)度。不是這樣的。如今，我們可以通過采用新的仿真方法全新開發(fā)材料，而且會(huì)以迄今為止無法想象的速度開發(fā)新材料。這當(dāng)然是非常令人激動(dòng)的，這種情況現(xiàn)在剛剛開始出現(xiàn)。
問：這些仿真方法真的是新的，還是由于計(jì)算能力增加了？


答：我指的是量子仿真。我們已經(jīng)在功能材料領(lǐng)域已經(jīng)成功地采用了這種方法。量子仿真的機(jī)理在上個(gè)世紀(jì)二十年代就已經(jīng)為人所知了，例如不確定性原理，但是直到不久前還無法將這個(gè)機(jī)制用于材料的開發(fā)。所有重要的材料物理性能都是通過帶原子核以及相鄰原子的原子核的電子的相互作用來描述的，本質(zhì)上來講，是采用薛定諤方程加以描述的，只是方程無解。
問：但是您現(xiàn)在不是解開了么？

答：基于新的仿真模型如密度泛函理論，可以通過采用離散模型，借助日益增長的計(jì)算能力，從而導(dǎo)致非常好的結(jié)果，例如：在開發(fā)新的電池材料方面。針對(duì)更進(jìn)一步的材料仿真，則需要更高的計(jì)算能力，因此量子計(jì)算機(jī)就非常重要了?；谶@個(gè)原因，大眾公司現(xiàn)在也在和谷歌進(jìn)行合作。一旦量子計(jì)算機(jī)真的可供使用，那么計(jì)算能力無疑將得到極大提升，我們可能就可以進(jìn)一步通過仿真方法開發(fā)用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的復(fù)雜合金，這樣可能會(huì)針對(duì)特殊應(yīng)用開發(fā)出終極材料。這還是屬于未來的夢想，但是可以想象，針對(duì)完全確定的強(qiáng)度和剛度組合計(jì)算出準(zhǔn)確的合金成分，也可能會(huì)產(chǎn)生出迄今尚無法想象的合金成分。
問：如果可以完全計(jì)算整個(gè)過程，高強(qiáng)鋼的剛度上升多少個(gè)百分比？

答：我們得現(xiàn)實(shí)一些，過去120多年以來，對(duì)鋼的研究一直持續(xù)不斷。如今，可供使用的鋼材超過7千種?，F(xiàn)在要是有人要想找到具有全新性能的鋼，幾乎是不可能的。一種金屬材料的剛度只在非常窄的邊界起作用。但是，可以通過帶入材料混合與纖維或者顆粒，與其它材料合金化，在一定的邊界對(duì)材料（包括鋼）的彈性模量施加影響。
問：材料領(lǐng)域如何從新的機(jī)遇中獲利呢？

答：遺憾的是，在德國，材料領(lǐng)域不一定會(huì)增長。由于德國的能源價(jià)格高企，鋁工業(yè)、銅工業(yè)和鎂工業(yè)都面臨著巨大的壓力。對(duì)于塑料生產(chǎn)企業(yè)也是如此。鋼鐵制造企業(yè)則是雙倍艱難，因?yàn)樗麄儾粌H面臨高的電價(jià)壓力，還面臨著來自中國的低價(jià)鋼鐵的壓力。這對(duì)于材料領(lǐng)域來說，需要通過創(chuàng)新來創(chuàng)造新的機(jī)遇和新的定位。
問：但是至少大眾汽車公司從低價(jià)鋼鐵中獲利了。


答：如果歐洲的鋼鐵制造能力大幅下降，對(duì)于汽車工業(yè)來說就是壞消息了。
問：百分之七十的創(chuàng)新都與材料密切相關(guān)，德國的材料研究會(huì)怎么發(fā)展呢？

答：在材料研究領(lǐng)域，我們處于不錯(cuò)的地位。大眾公司創(chuàng)立了開放混合實(shí)驗(yàn)工廠。在德國，過去的幾年中成立了很多類似的研究機(jī)構(gòu)。大眾有很多的材料聯(lián)盟。從研發(fā)的角度看，如碳纖維復(fù)合材料開發(fā)，已經(jīng)做了大量的工作。當(dāng)然，我們也關(guān)注不同領(lǐng)域的國際研發(fā)活動(dòng)。在傳統(tǒng)材料開發(fā)領(lǐng)域，德國處于領(lǐng)先的地位，或者至少超前的地位。德國有很多協(xié)會(huì)，可以激發(fā)年輕工程師的興趣，如針對(duì)碳纖維復(fù)合材料的協(xié)會(huì)，或者塑料協(xié)會(huì)。另外還有很多行業(yè)協(xié)會(huì)，可以將研發(fā)機(jī)構(gòu)和工業(yè)界結(jié)合在一起。這些都值得關(guān)注。
問：最后還有一個(gè)小問題：更輕的汽車可以承擔(dān)更多的成本嗎？

答：我認(rèn)為可以，更輕的汽車必須更貴一些。正因?yàn)槿绱?，最有效率的輕量化材料首先用于豪華車和超級(jí)跑車中。