全球汽车轻量化材料开发与应用最新进展

无论是改进现有产品还是设计全新产品，汽车车身材料的选择对于汽车制造商来说是一个非常重要的步骤，为满足最终汽车或部件的特性和性能，可以根据消费者对产品的偏好来选择，[1]，[2]。材料的选择依据是满足特定的要求，如轻量化、高强度等。从过去几十年的发展可以看出，复合材料和铝合金已经作为减轻车身重量的替代材料出现，但是由于钢的成本效益和批量生产能力，钢在车身的材料组成中占主导地位。当前，激烈的行业竞争以及政府对更轻、更省油车辆的推动等因素导致用铝、塑料和各种复合材料等轻质材料替代钢铁，以减轻重量并满足当前的需求[3]，[4]，[5]，[6]。不断增长的需求和科学发展刺激汽车制造商增加使用先进的塑料聚合物复合材料，这产生了可用于制造车辆部件的各种聚合物材料。这些材料不仅要满足质优价廉的要求，还满足人们所需的高性能[7]，[8]，[9]。

由于材料在决定汽车的质量和成本方面起着非常重要的作用，因此在最早的阶段为零部件选择最有效的材料是非常关键的。用于制造汽车车身的材料应具有表1中列出的以下特性：

 

表1所需材料的特性

不仅仅是材料的性质，而且行业的要求也会影响材料的选择。汽车行业的主要要求如下：

图一展示消费者偏好和严格的法规是如何导致近年来轻质塑料和复合材料在汽车行业的使用越来越多的。据观察，塑料正在取代更重的黑色金属材料并且被有效地用于消费者舒适的目的。将塑料作为较重材料的替代材料，带来了车辆整体重量的减轻，这使得塑料在普通车辆中的质量百分比从1970年的6%增加到2010年的16%，到2020年达到18%[9]，[13]，[24]，如图一所示。

图一数十年来材料在车辆中的使用

 

一辆汽车有数百万个零件，每个零件都有其用途，这使得汽车制造商需要考虑大量的材料来制造一辆汽车。考虑制造这些零件和部件的主要材料是钢、铝、玻璃、塑料、橡胶、镁和碳纤维，并且诸如耐热、耐化学和机械冲击、易于制造以及它们的耐久性等因素影响它们制造车身的选择。除此之外，经济有效也是车辆制造中的一个重要因素[4]。用于制造外部车身零件的各种材料如所示图2。

图2汽车用高强度材料

钢在车身、发动机、底盘、车轮和许多其他零件上有各种各样的应用。这些应用通常表现出重量减轻以及强度、刚度和其它结构性能的提高。这使得钢在制造更轻、更安全的汽车方面具有明显的潜力[14]。钢占汽车车身重量的55%以上。在汽车车身结构和面板中使用钢诸多优点。最重要的是它的高弹性模量这是汽车工业中所考虑的结构材料中最高的。宽范围的强度（200-1500MPa）、优异的可成形性、优异的可焊性和可回收性是钢在当今工业中占优势的原因[2]。这种钢以薄板的形式用于制造汽车车身，原因如下：高强度、焊接、着色、可变形性和令人满意的成本。下面列出了各种钢及其特性，以及用于制造汽车零件的不同外部车身零件的应用

在过去的几年里，汽车制造商增加了高强度钢（HSS）或高强度低合金钢（HSLA）的使用。可以使用的潜在应用如：超轻型钢汽车车身（ULSAB），它是HSLA钢的一种形式，比传统的钢车身轻19%，强度高，制造成本低，具有更好的结构性能。高强度钢（屈服强度范围为210至550兆帕）和超高强度钢（屈服强度超过550兆帕）的成本比传统钢高约50%，但它们的厚度较小[4]。

几十年来，铝一直是汽车行业的基础材料之一，随着时间的推移铝材发生了巨大的变化。已经实施了各种改变来改善铝的机械和物理性能，如硬度、耐腐蚀性、可塑性、耐久性[4]。与钢相比，使用铝的最重要优势是铝的密度较低，为2.7gm/cm3，而钢的密度为7.87gm/cm3，因此，在相同的抗弯刚度下，铝比钢部件厚43.5%。用铝车身板替换钢车身板可使车身重量减轻50%。

铝在车身结构、底盘和汽车动力传动系统方面有着多样的应用机会。铝的使用大大减轻了汽车车身的重量。为了制造铝制车身结构，可以使用冲压选项或空间框架方法（包括将铸件、挤压件和冲压件焊接在一起）[2]，[13]。在过去的几年里，铝在汽车工业中的应用增长也是由于其回收利用的能力，这一点非常引人注目[26]。多材料轻量化设计不断发展，铝为先进的“多材料”超轻型汽车（SLC）概念提供了解决方案[27]。目前，铝已应用于制造行李箱盖、发动机罩和车门。在过去的几年中，在铸造铝上应用锻铝的努力变得更加活跃，并且锻铝已经在制造隔热板、保险杠加强件、安全气囊外壳、油底壳、座椅框架和侧面碰撞板中发挥了潜力[14]。已经开发并实施了全铝车身[25]但由于其相对较高的材料和生产成本，它们主要用于豪华汽车，如奔驰SL级，特斯拉S60型，奥迪A8，以及一些漂亮的车辆，如宝马i8[15]，[16]。

镁的密度为1.74gm/cm3它被认为是所有用作建筑合金的工程金属中最轻的[28]。镁比铝轻33%，比钢轻75%，因此减轻车身结构的压力已经开始有利于镁，以改善过去的问题，如腐蚀、阻力和多孔性。尽管它具有吸引人的物理和机械性能，如高电阻和高强度韧性[29]。成本和稳定性限制了汽车制造商只能在高档车型中使用镁合金材料[1]，[4]。镁的拉伸屈服强度与铝大致相同，但其他机械强度较差。但是优势也不能被忽视：这些优点包括更好的可制造性、更长的寿命以及由于较低的潜热，更快的固化。因此，与铝相比，单位时间内可以生产的铸件数量更多，而且也具备更高切削性[2]，[14]。镁合金在过去被用于制造变速箱盖。研发的活动主要是在车身上安装镁部件，并在共同市场上应用镁板材[30]。对镁的最新兴趣是用于制造汽车横梁、车顶、变速箱和发动机缸体[1]。

塑料和聚合物复合材料是仅次于黑色金属和合金（占汽车重量的68%）的第二大类材料，在汽车工业中有着广泛的应用。塑料用于内部部件、车门和座椅组件，占商用车辆的50%左右[17]。塑料的使用随着时间的推移而发展，早期使用塑料是因为其良好的机械性能、优异的外观、自着色等。但是现在，由于塑料具有重量轻、耐用、韧性好、设计灵活、耐腐蚀、高性能且成本低廉等特性，因此塑料主要用于汽车，约占汽车总重量的10-15%[4]。

最新的复合材料技术在汽车工业中比传统材料有很大的优势。如今，复合材料在许多应用中成为一种有前途的材料。纤维增强塑料复合材料是一种较轻的材料，由于其低密度和用于减轻车辆重量的潜在能量，为汽车工业提供了广泛的优势。由于改进的冲击性能特征、能量吸收能力、重量轻和抗腐蚀性能[31]在车辆和军事应用中，复合材料是吸收冲击能量的金属结构的理想替代品。优异的耐腐蚀性和其他化学特性可以帮助制造商延长单个部件和整车的寿命[16]，[18]。汽车设计的改进、法规要求的转变、对可持续性的关注以及对在汽车中使用轻质材料的关注，使得汽车工业中的塑料部件有了巨大的增长[32]。塑料能够从可再生原材料中成型为复杂几何形状的部件，并且具有多种聚合物，这使得它们易于在几个部件中进行更换，并且更容易装配到整体附件中。塑料使用的增加及其在车辆外部和内部部件中的应用在图3中有所描述[17]，[19]。

图3塑料使用的增长趋势

 

聚合物例如聚丙烯（PP），聚氯乙烯（PVC），丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS），以及聚亚安酯（PU）是车辆零部件应用中最常用的材料[34]。回收塑料需要分类、清洗、粉碎、识别、分类，并挤压成最终部件或产品[33]。改进的回收工艺迫使制造商使用高性能汽车塑料。根据燃油效率标准和性能要求，一辆普通汽车的塑料重量超过110-120千克，占汽车重量的5.8-10%[19]。设计车辆是一个关键因素，因为它会受到各种外力的影响，并有可能受到强烈的冲击。因此，为了保持车辆的结构完整性，生产中使用的材料成为安全和稳定性的重要因素。虽然塑料和聚合物复合材料比金属相对便宜，但它们的设计参数和制造设备非常昂贵，预计这将对行业参与者构成挑战[19]。用于制造汽车部件的各种塑料列于表2。

表2。典型汽车中使用的塑料

碳纤维是指一种由碳原子排列成细长晶体并编织成织物的材料。与环氧树脂结合的织物几乎可以塑造成任何形状，这些形状也不能用传统材料建造，因此汽车行业已经开始使用碳纤维制造坚固、轻质的部件，以提高速度、改善空气动力学和燃油效率[20]。碳纤维增强塑料（CFRP）是一种耐用、轻质、昂贵的复合材料，但用于制造车身时，比钢制车身减轻50%以上的重量，比铝制车身轻30%。它与传统金属相比有几个优点，抗张强度重量轻、耐化学性、耐高温和低热膨胀，使其适合用于需要承载结构的应用[36]，[37]其生产复杂形状和零件的可制造性以及高拉伸和压缩强度，使CFRP在许多应用领域成为钢铁等传统材料的潜在替代品，如车身板件、悬架、转向、刹车（碳纤维增强碳化硅）[35]，以及其他配件。碳纤维增强塑料仍主要用于非结构性和装饰性元件，但在过去十年中，结构性应用取得了重大进展，并有可能用于制造底盘结构、保险杠、发动机支架、车顶板、后挡板、发动机罩和加强筋结构[21]，[22]，[38]。

从图4可以看出，2012年，汽车行业占全球碳纤维使用量的5%2150吨），并在随后几年持续增长。原因是立法和消费者偏好的变化迫使汽车制造商使用碳纤维来生产轻型汽车，有效地消耗燃料，并在使用时排放更少的碳。根据2013年全球CRP市场预测，汽车行业的碳纤维应用预计每年增长约34%，到2020年达到近23，000吨，如所示图4[23]。

图4汽车市场碳纤维的预测增长（单位：吨）

从上面的讨论中，可以得出结论，材料总是随着满足消费者的要求和交通法规的变化而发展。随着新的燃油经济性和排放标准的实施，行业被迫生产轻量化车辆，因为这似乎是应对即将到来的不断增长的需求和环境法规的最佳策略。到目前为止，由于其强度和成本效益，钢在汽车工业的零件制造中占很高的比例。铝和镁正在成为钢的潜在替代品，以满足轻质材料的要求。塑料和碳复合材料具有生产轻质汽车部件和结构的潜力和极好的可能性。碳纤维增强塑料（CFRP）具有与汽车工业的需求直接相关的性质，已经产生了影响，汽车工业也正在使用它来制造车身结构和其他汽车部件。虽然塑料和复合材料可能是汽车制造商主要解决方案的一部分，但这些纤维的加工成本太高，这使得它在行业中没有钢铁的竞争对手。生产低成本纤维和复合材料的研究已经引起了工业界的兴趣，这使得在车辆的主要车身部件中大规模使用纤维成为可能。这将有助于减轻重量以及提高车辆的燃油效率。鉴于该行业在过去几十年中的发展，很可能在不久的将来，塑料和复合材料可能会成为汽车的主要部件，从而以可承受的成本制造出高性能的轻质汽车。