【輕質材料】汽車輕量化，路在何方？

迫於能源與環保問題的日趨嚴重，世界各國對節能減排技術的研究日益重視，汽車輕量化不可避免的成為實現上述目標的主要途徑。

圖示：2007-2017年國內乘用車市場銷量走勢（單位：萬輛）

汽車輕量化技術主要分為：結構優化、輕質材料、成形工藝和先進連接技術。進一步地，汽車材料的更換和升級，能從根源上減少汽車總重量，可行性較強，是目前汽車輕量化的最主要方向。

輕質材料，路在何方？

1奧迪A8放棄全鋁車身，你大爺還是你大爺嗎？

奧迪輕量化設計中心首席設計師BerndMlekusch博士說：未來沒有全鋁製的汽車車身，熱成形用鋼（PHS）將在這一趨勢中扮演其獨特角色。

視頻展示：《超級宇論》奧迪A8放棄全鋁車身, 你大爺還是你大爺嗎？

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2寶馬新一代i3電動汽車，將拋棄碳纖維？

寶馬公司正計劃在2022年推出第二代的寶馬i3電動汽車，但是由於碳纖維的成本高，所以寶馬公司正在考慮選用其他的材料來取代碳纖維。

3特斯拉加大超高強鋼的使用量,寶鋼供貨準備?

寶鋼股份方面在接受澎湃新聞採訪時表示，「特斯拉後續車型會加大超高強鋼的使用量，進一步降低成本，寶鋼目前正在進行相關技術方面的合作與供貨準備工作。

輕質材料分類概述

常見的輕量化材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬材料包括高強鋼、鋁合金、鎂合金等；非金屬材料包括工程塑料和複合材料等。

1高強度鋼

先進高強度鋼包括雙相鋼、復相鋼、鐵素體+貝氏體鋼(FB)、馬氏體鋼、相變誘導塑性鋼、熱成型鋼和孿生誘發塑性鋼。第一和第二代先進高強度鋼均能滿足不同部件的使用要求。例如，復相鋼和相變誘導塑性鋼用在汽車的碰撞區域，其吸能作用大。對於乘員艙的結構件，特別是高強鋼，如馬氏體和熱成型鋼可提高安全性能。

由於高強度鋼相對於其他輕量化材料使用成本更低，各大車企以及相關配套企業對第三代先進高強度鋼研究及資金的投人力度越來越大。這些鋼種通過調節合金成分及熱處理工藝，獲得比現有先進高強度鋼更高的強度和延展性能，連接能力也更加高效，同時成本也低。更多性能可參見強度-延性圖所示。

但受高強鋼板材強度的提高，傳統的冷衝壓工藝在成型過程中容易產生破裂現象，無法滿足高強度鋼板的加工工藝要求。在無法滿足成型條件的情況下，目前國際上逐漸研究超高強度鋼板的熱衝壓成形技術。

預計到2020年全球汽車先進高強度鋼需求量2839萬噸，年均複合增長12%，對應市場規模4258億元。

由於高強度鋼近年來運用逐漸增多，相應的配套企業也比較多。原材料廠家有寶鋼，阿賽洛，新日鐵，浦項等；提供零部件級解決方案的有麥格納，本特勒，海斯坦普，舒勒，APT，凌雲，賽科利，天汽模，寶鋼，博彙，屹豐等。

2鋁合金

鋁的密度是鋼的1/3，質量更輕，具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性，目前鑄造鋁合金約佔汽車用鋁量的80%，可用於製造發動機零部件、殼體類零件和底盤上的其他零件；變形鋁合金(鍛造鋁合金和鋁合金板材)在車身零件及結構件的應用方面也發展較快，主要應用於發動機蓋、翼子板、保險杠、車廂底板結構件、熱交換器、車輪以及車身骨架等。

圖示：喬治費歇爾為奧迪開發的鋁鑄件

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2015年我國汽車用鋁量為312萬噸，預計2020年我國汽車用鋁量為510萬噸，按照車用鋁合金4萬元/噸市場價計算，市場空間可達2500億元。2016-2020年CAGR為12%，其中SUV和新能源汽車將是汽車用鋁成長最快的領域。

主流的供應商有美鋁、肯聯鋁業、挪威海德魯、愛勵、諾貝麗斯、濰坊三源鋁業、東輕合金、西南鋁業、江蘇財發鋁業以及中國忠旺。

3鎂合金

鎂合金是目前商用的最輕的金屬結構材料。鎂的密度只有 1.74 g/cm3，是鋁的 2/3，鋼的 2/9，採用鎂合金可在使用鋁合金的基礎上再減輕15%-20%。目前鎂合金製品的62%應用在汽車產業上，汽車產業中鎂合金用量較多的國家和地區主要是北美、歐洲、日本。

到目前為止，汽車上共有60多個零部件採用鎂合金。主要分為殼類和架類兩類零件：殼類零件包括氣缸蓋、離合器殼、變速器殼、濾油器殼、空氣濾清器殼、分動器殼、增壓器殼、燈罩等；架類零件包括方向盤、儀錶盤、風扇架、擋泥板架、踏板托架、轉向支架、剎車支架、燈托架、座椅架、車身支架、車門框架、輪毅等。目前鎂合金使用率最高的主要是車身和底盤零件，如儀錶盤骨架與橫樑、座椅骨架、轉向盤、進氣歧管,以及各種支架、罩蓋等。

2017年中國汽車銷量預測為2888萬輛，汽車增速為3.04%。預計2020年國內單車用鎂量目標為10kg，到2020年汽車業對鎂合金的需求量將達到33.1萬噸。

主流的供應商有美瑞釘（上海鎂鎂）、駛多飛、高田、奧托立夫、東莞宜安、重慶鎂業、福建坤孚、銀光鎂業等。

4改性塑料

汽車上使用的塑料主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PEL）和聚氨酯（PUR）等。主要類型包括通用工程塑料、塑料合金和增強塑料。塑料在汽車中最早是用於儀錶板、車門內板、頂棚、副儀錶板、雜物箱蓋、座椅及各類護板等內裝件，而後逐漸向外裝件、結構件和功能件擴展，如車身外板、後阻流板、保險杠、車輪罩、前後翼子板、舉升門，以及油箱、散熱器水室、風扇葉片、發動機進氣管、氣門室罩蓋等。

2017年我國汽車產量達到2844萬輛，按照4%的年複合增長率保守計算，到2020年我國汽車年產量將達到3289.53萬輛，我國汽車用改性塑料市場需求量已達到986.86萬噸。2016-2020年複合增長率約22%。

主要的供應商有巴斯夫、普立萬、陶氏杜邦、德國科思創、沙特基礎工業、匯通新材料、金髮科技、普利特、銀禧科技、國恩科技、毅昌科技等。

5碳纖維

碳纖維是有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的，一種含碳量在95%以上的高強度、高模量的新型纖維材料。

視頻展示：新2016款寶馬 BMW 7系 CFRP 車身碳纖維材料應用

在汽車中可應用於車身、底盤、車頂、車門、頭蓋、引擎蓋、尾翼、壓尾翼、中控台、裝飾條、傳動軸、板簧、構架、剎車片、內飾和外飾配件等系統。

中國目前的碳纖維供應商主要是中復神鷹、江蘇恆神、威海拓展等，產能都在5000噸級別以下，沒有形成行業集中度，缺乏與國外巨頭競爭的優勢。碳纖維復材的總體需求量將不斷上升，預計到2020年，碳纖維復材的需求量可以達到約20萬噸的左右。

主要的供應商有福塔菲爾、卓爾泰克、阿爾笛拉、東麗、東邦、三菱、台塑、CYTEC、康得新、光威復材、恆神股份、中簡科技、中航復材等。

輕量化材料應用阻力

1成本

成本是制約汽車輕量化新材料應用的最大問題，也是困擾我國新材料和汽車行業發展多年的難題。

2技術

由於普通高強度鋼在強度、塑性、抗衝擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優勢；目前超高強度鋼和先進高強度鋼的應用仍然較少，使用比例只有15%。

材料強度要在安全傳力路徑上合理的布局，才能有效的吸收碰撞能量並保障乘客的安全。那麼，合適的材料使用在合適的地方，還要考慮系統成本，這並不是一件容易的事！

總結

未來乘用車的主流用材趨勢無疑是「以鋼為主，多材料混合」的結構。對於一些中高端車型，鋼材的應用比例會有所下降，更多的採用輕質金屬、非金屬是一種趨勢；而主流的中端車型則更多地考慮性能、成本、重量和製造工藝等多方面因素，逐步加大輕質材料的應用比例；低端車型，受成本制約，將考慮以鋼製車身為主。

面對時下各種輕質材料的應用挑戰，我們也不能坐以待斃，而是應該抓住機遇，這也正是小編整理本文的目的。近期，我們將在《汽車輕量化技術》中開設一個專欄，專門研究各種輕質材料。如您在設計生產中遇到熱成形該用多少比例、鋁合金零件的應用規劃、碳纖到底是個啥、各種材料的強度剛度屬性該怎麼測量等類似問題，歡迎來我們的公眾號中、微信群中交流討論。

產學研結合，我們不是說說而已！

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