汽车轻量化中新材料的运用分析

汽车轻量化中新材料的运用分析

李康

芜湖泰瑞汽车有限公司

摘要：伴随着我国《节能与新能源汽车技术路线图2.0》的发布，其明确了我国汽车轻量化方向，要求2035年燃油乘用车、纯电动乘用车轻量化系数分别下降25%-35%。而据相关研究表明，一些新材料的应用，对汽车质量的大幅度减轻有着直接关系。基于此，只有紧扣“新材料”这一研究视角，着重分析其在我国汽车轻量化中创新运用思路，旨在为快速实现我国汽车轻量化、安全节能这一可持续发展目标带来更多启迪。

关键词：汽车轻量化；新材料；运用研究

据世界铝业协会相关数据研究显示，汽车自重与其油耗有着直接的关系，当汽车自重每减轻10%=燃耗降低6%-8%。由此可见，汽车轻量化对于实现我国节约减排的可持续发展战略有着积极促进作用。从本质上来看，“汽车轻量化”是在基于安全性、经济性、成本的前提，以及保证、改善汽车使用性能基础上，将轻量化设计、轻量化材料、轻量化制造技术在整车产品上综合的一个应用。因此，应根据我国汽车产业轻量化发展现状，来运用新材料实现汽车轻量化技术发展，从而为我国新型汽车产业在国际市场中占据一席之地做出应有的贡献。

一、汽车轻量化途径及常用新材料类型

从当前技术发展情况来看，汽车产业轻量化发展的实现途径有三个：第一，通过降低车辆的质量来达到整车轻量化；第二，可以采用改进其性能方式，例如改进NVH、动力学性能等方式来实现汽车轻量化发展；第三，除了降低车身的质量之外，汽车轻量化发展也可以通过最优化车辆结构来得以实现。然而综合整体来看，汽车轻量化的三大路径实现，同样也是由材料、设计、加工成形技术等多方面集成的结果，其中材料的创新则是基础和核心关键。

从近些年汽车轻量化过程中新材料的应用发展情况来看，常见的轻量化材料分为金属和非金属两大阵营。

（一）金属材料

1.铝合金

“铝合金”属于一种轻质材料，其在汽车轻量化过程中得到了大量的使用。例如，在汽车零部件，如车架、发动机等大型关键结构件上均有使用。从目前使用情况来看，此类材料的使用每年都有增长的势头。根据《节能与新能源技术路线图》规划，预计我国铝合金单车用量将在2025年达到250kg，而2020年用量约为129kg/辆，短短5年时间车均用量增长接近1倍。特别是在一体压铸技术快速发展背景下，目前“免热铝合金”成为一体压铸最佳材料，其兼顾性能与成本优势，成为当下汽车轻量化最热门应用材料。一体化压铸铝合金材料不仅在常规性能上比普通压铸高，还有铸态下具有高强韧性、具备优异铸造性能、高连接包容性、具备更高的微量元素与杂质元素容忍度和需要长效且高效变质剂五点独特的要求（如图1）。

图1 免热处理合金的独特性能要求

2.镁合金

镁合金作为是一种质量较轻的金属，其密度仅是铝合金材质的三分之二，钢铁材质的四分之一，因此镁合金的零部件轻量化效果十分显著（如图2），在当前的汽车量化技术中占有举足轻重的位置。国际镁协评价认为，镁合金零部件全生命周期节能减排效果显著，镁合金零部件大规模应用，有助于汽车轻量化和节能减排，助推国家“双碳”目标。

图2镁合金注射成形的零部件

3.高强度钢种

高强度钢材在汽车轻量化上使用得很广泛，在汽车的转向构件、车架、车体等部位采用此材料，可以达到减轻质量，提升车辆的性能。据ECB车身材料近十年的应用统计情况来看，软钢及普通高强度钢应用比例呈现波动下降趋势，先进高强度钢的应用比例呈现波动上升趋势，说明高强度钢尤其是先进高强度钢在车身轻量化应用方面具有很大的发展潜力。

（二）非金属材料

除了上述的三种金属材料外，非金属材料包括工程塑料和复合材料等在汽车轻量化过程中的应用也十分广泛。首先，塑料材料具有比重小、成本低、易加工、装饰效果好等诸多优点，不仅能减重降成本，而且对整车的安全性、舒适性和外观都有利。目前此类材料主要应用于汽车顶棚、仪表板、各类机壳等。其次，非金属复合材料主要是指碳纤维增强树脂基复合材料和有机纤维复合材料等。其密度小、耐腐蚀、比强度和比刚度高、易成型、节能抗震等优点，目前主要应用于车身、车灯罩、保险杠等。

二、汽车轻量化中新材料应用面临的问题

近年来，国内外政府都铆足力量，集中自身的技术、经济等优势来大力发展新能源类型的汽车产业，同时对其轻量化技术也加大了研究力度。但是，从我国汽车产业的轻量化发展现状来看，由于其起步晚于国外，目前还处于初始起步阶段，针对新材料的应用研究也明显不足。

（一）新材料应用不足、技术落后

首先，是新材料应用范围不广。从当前我国汽车轻量化的情况来看，虽然我国汽车制造商也尝试大胆运用新材料，但是这些尝试多局限于高档车，即使尝试运用也仅仅只是运用于单一的零部件上。例如，从高强度钢这一新材料的运用上来看，我国的运用率仅仅40%，远远低于国外80%的使用率。其次，是新材料研发技术落后。近些年，虽然我国汽车制造行业加大了汽车轻量化的研究力度，但是我国新能源汽车的“轻量化之路”并不轻松，

与国外差距较大。且新材料的开发、应用技术也不成熟。例如，以相关政策中提到的碳纤维复合材料为例，其作为未来新能源技术的重要发展方向，目前的技术路线仍未完善，成本高昂，想要实现量产依旧遥不可及。

（二）新材料应用成本高昂

首先，是新材料研发费用昂贵、应用风险大。目前加工汽车轻量化所需的新材料不仅需要专用设备，而且此类设备价格昂贵，这就极大增加了汽车制造企业的负担，使得企业对此类研发工作不积极。从而导致当前多数汽车制造商从事新材料研究的仅仅限于几个实力较强的汽车制造企业。其次，成本较高，新材料应用难以普及。虽然从客观层面来看，新材料对汽车轻量化发展有着十分重要的作用，但是从侧面来看，应用新材料也会进一步造成汽车制造商的成本增加，这就限制了其进一步应用的广谱性。例如，碳纤维复合材料由于其价格较高，目前主要应用在一小部分高端车型，根本无法形成普及。

（三）新材料维护技术和服务缺位

从维护层面来看，与使用常规材料的汽车对比，运用新材料的汽车维护保养要求更为高，难度也更大。如传统钢材制作的汽车受撞击变形后，我国在通过钣金技术进行修复这方面相当成熟，而当应用了新材料的汽车发生损伤时，我国由于缺乏此类材料的专业人才和修复技术，从而出现无法提供高效的维护服务。长此以往，也会限制汽车产业轻量化发展。

三、新材料在汽车轻量化中的运用优化思路

《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》中提到，要求加强新材料技术的布局，大力支持轻量化材料研发，来支持新能源汽车的发展。目前，采用新材料来促进汽车轻量化已成为趋势，因此需要加强汽车实现轻量化过程中，新材料的应用研究。

（一）加大新材料研究力度

根据我国汽车轻量化技术路线图及发展目标可知：到2025年，汽车轻量化材料的使用也将逐步由高强度钢、铝合金逐步扩大至镁合金、碳纤维等，最终实现碳纤维复合材料混合车身及碳纤维零部件的大范围应用。基于此背景下，首先应从研究层面入手，各高校、科研机构、企业等要加大汽车轻量化中新材料应用的科研投入，建立实验室，将科技和科研成果变成产品，拓展新材料的推广范围。其次，为了实现汽车的轻量化新材料的应用发展，还应加强国际国内合作交流，与相关科学研究机构形成强大的数据共享机制，产学研相结合，促进汽车轻量化技术研究的不断深入。

（二）优化新材料应用成本

首先，要加大政策上的扶持，我国政府应优化扶持政策，对新能源车企进行新材料研发应用上的补贴，从而为我国汽车产业轻量化夯实基础。其次，要从新材料应用的具体环节入手，加大材料的科学优化组合应用，达到最优化成本。例如，加大刚强度钢和超高强度钢应用比例，合理减薄钢板厚度，广泛应用先进成形技术和链接技术，达到预计的轻量化目标。

（三）注重维护人才培养

汽车产业是一个集合了前端生产-后端维护的闭环产业链，特别是针对汽车轻量化发展而言，其使用的新材料具有一定的前瞻性，这就需要更为注重其后端维护能跟上。因此，需要鼓励更多汽车新材料生产企业，加大培养维护人才，为产品的后期维修保养提供保障，从而促进新材料发挥出其应用的作用，促进我国汽车产业化可持续发展。

三、结语

总而言之，汽车轻量化的发展是当今时代社会发展的必然趋势，其对实现我国节能减排、提高我国运输效率至关重要。而汽车轻量化新材料应用至关重要，其有助于推动汽车产业的可持续发展。为此，应加大此领域的研究创新力度，加大新材料研究力度、优化新材料应用成本以及注重此领域维护人才培养，进而让新材料更好地运用在汽车轻量化过程中，从而有效推动我国汽车产业的稳步完善和飞速发展。

参考文献：

[1]王科学,王东波,黄勇,孟庆玉,张丽,董晓红.铝合金材料在汽车轻量化领域应用的研究现状[J].铝加工,2022(06):3-6.

[2]陈志耀,马天战,马丹萍.汽车轻量化的技术动向[J].汽车零部件,2022(08):92-95.