只要3分鐘 了解車身材料及發展方向

前言

車身是車輛的主體結構，除了需要營造乘客的座艙、行車艙，還必須給發動機等機械部分件預留位置。我們從外表看車身，看到表面覆蓋件，比如前後保險杠、發動機概、翼子板、車門板等部件。需要說明的是，隱藏在內部的車架猶如房屋的柱樑，才是真正承受各部件重量和外力的核心框架，因此要計算碰撞剛性以及形變吸能。但是，車身表面的覆蓋件材料也很重要，對於車輛的整體減重同樣意義重大，由於發動機蓋、車門、尾箱蓋對於艙內空間具有保護作用，大部分依然金屬材質，而前後保險杠出於對於行人碰撞安全考慮，以塑料材質為主，另外外覆蓋件暴露在各種外界條件下，對於抗腐蝕性、耐用性有更高要求。總體看來，車身材料需要在輕量化的基礎上，降低製造成本，提高抗腐蝕性和易成形性等條件，今天我們膚淺地了解下這方面的知識。

車身材料大致演變史

早期轎車車身沿用馬車車身結構，整個車身以木製為主。1912年由愛德華巴特首次製成了有色全金屬的車身，1925年文森卓.蘭西亞發明了承載式車身，車身由鋼板衝壓成型的金屬結構件和大型覆蓋件組成，這種金屬結構車身一直沿用至今，得到了不斷完善和發展。進入21世紀之後，節能減排的呼聲越來越高，輕量化車身被推向高潮，鋁合金、全鋁，碳纖維，鈦合金，高分子材料等新型材料成為汽車車殼材料的新貴，走進人們的視野。

汽車車身材料分類

普通鋼板材料

在現代汽車生產中，使用最多的還是普通低碳鋼板。低碳鋼板具有很好的塑性加工性能，強度和剛度也能滿足汽車車身的要求，同時能滿足車身拼焊的要求，因此在汽車車身上應用很廣。為了滿足汽車製造業追求輕量化的要求，鋼鐵企業推出高強度汽車鋼材系列鋼板。這種高強度鋼板是在低碳鋼板的基礎上採用強化方法得到，抗拉強度大幅增強。利用高強度特性，可以在厚度減薄的情況下依然保持車身的機械性能要求，從而減輕了汽車重量。例如BH鋼板是在低強度條件下，經過衝壓成形之後，進行烤漆加工熱處理，以提高其抗拉強度。對比之下，以往強度在440MPa的鋼板，採用這種加工技術以後強度可增加到500MPa。原來用厚度1毫米鋼板做側面板，用高強度鋼板只需厚度0.8毫米。採用高強度鋼板還可以有效地提高汽車車身的抗衝擊性能，防止在行駛中由於路面的砂石飛濺碰撞產生凹痕，延長了汽車的使用壽命。

用途實例：捷達，最先走進我們生活中的平價汽車，耐用性非常不錯。

鍍鋅鋼板

普通低碳鋼板最大弊端就是氧化侵蝕嚴重，於是人們發明出來了電鍍鋅材料來保護車身氧化。鍍鋅薄鋼板車身從20世紀70年代開始使用在轎車車身。早年人們在試驗中發現，將鐵和鋅放人鹽水中，二者無任何導線聯結時，鐵和鋅都會生鏽，鐵生紅銹，鋅生「白銹」；若在二者間用導線聯結起來，則鐵不會生鏽而鋅生「白銹」，這樣鋅就保護了鐵，這種現象叫犧牲陽極保護。工程師將這種原理運用到實際生產中，生產了鍍鋅鋼板。在近代，轎車已經廣泛使用鍍鋅鋼板，採用的鍍鋅鋼板厚度從0.5至3.0毫米，其中車身覆蓋件多用0.6至0.8毫米的鍍鋅鋼板。

用途實例：帕薩特旅行版車身的外覆蓋件採用電鍍鋅工藝，內覆蓋件內部採用熱鍍鋅工藝，可以使車身防鏽蝕保質期長達11年。

全鋁製車身

鋁合金具有優異的延展性、只有鋼材一半的密度和良好的耐腐蝕性，成為輕量化結構的首選材料。在很多人的印象中，鋁又軟又熔點低，這些想法多來自於易拉罐、鋁鍋等日常鋁製品。而實際航空級鋁合金的機械性能甚至要超過鋼鐵，以7075鋁合金為例，它的抗拉強度是560MPa，不比前面提到鋼材強度低。而同樣重量的鋼和鋁，鋁體積更大，可以在不增加重量的前提下增加結構強度。而且目前鋁製車身多採用厚壁鍛鋁梁焊接而成，就結構強度和剛度而言要比衝壓薄鋼更有優勢，且機構整體穩定性更好，在非設計受力方向受力時有更大的冗餘度。此外，鋁合金在大氣環境下幾乎不被腐蝕，可以無塗裝使用，不過處於美觀的考慮，鋁製車身依然會塗上不同顏色的塗裝，奧迪很多車型及捷豹路虎的車型很多採用全鋁製車身結構，在保證車身剛性的同時發揮良好的行駛性能。

用途實例：奧迪R8輕質量的車身使得其百公里加速僅需3.2秒，最高車速可達到330km/h。

鎂合金

和鋁相比，鎂密度更小，同體積的鎂大約比鋁輕了1/3的重量，並且鎂的抗衝擊能力較強，但化學性質比較活性，防腐性能較差，所以鎂製品都以合金的形式存在。目前在汽車製造業中，鎂合金只有部分應用，比如變速器和發動機某些部件，方向盤以及我們之前報道過的鎂合金輪圈等，鎂合金製造車身的前景看似是光明的，但是目前來看還存在著很多困難需要克服。在製造加工方面，製造薄板鎂合金包含有96%的鎂、3%的鋁以及1%的鋅，並且需要在約450攝氏度的環境下以一個非常慢的過程衝壓成型。這使得製造工藝要求和製造成本非常高。相比於鋁製板材件，鎂合金車身板件的成本要高出3-4倍。另外，由於鎂合金板材的特殊性，在修復工藝方面與傳統的鋼鐵板件存在一定差異。

用途實例：通用雪佛蘭大型SUV車身上大量採用鎂合金。其中門板是全鎂合金材料，大大減輕了車身的重量。

碳纖維車身

隨著航空技術的發展，飛機的從超音速到巡航速度達到1.5馬赫甚至更高，而普通金屬材料已經不能滿足這種強度要求了。而由一種纖維材料取而代之，這就是碳纖維材料的來源。由於碳纖維材料製造成本昂貴，最早碳纖維在汽車領域裡主要應用在賽車上，直到現在也只有超跑和一些專業的改裝車玩家才會用碳纖維。碳纖維是一種纖維絲狀材料，在製作成型時需要像織布一樣紡織成片狀，用有機膠浸潤成形並固化，製作過程類似於玻璃鋼。碳纖維具有絕佳的韌性和抗拉強度，且重量只有鋼的1/4。輕量、高強度特性正是高性能車所需的，目前法拉利、蘭博基尼等超跑的車身由碳纖維製成。不過碳纖維缺乏延展性是其缺點，在受到超出極限的衝擊時碳纖維結構會如同玻璃一樣破碎。而且碳纖維與其它材料的連接也是個問題，使用傳統的栓接，連接孔周圍很容易產生裂紋。碳纖維材料的製造成本居高不下也是限制其應用的一個方面，即使是在航空領域碳纖維的應用也有很大的限制。

用途實例：柯尼塞格CCXR Edition 車身採用全碳纖維材料全手工打造，車輛僅重1180KG，比布加迪輕了快1000KG。

鈦合金

鈦合金作為汽車材料應用最主要的優點有強度高，密度小，熱膨脹係數只有鐵和鋁材料的一半，並且不會被磁化，熱導率比較低。因為鈦合金的生產效率比較低，所以最開始日本的大同鋼鐵公司研製成一種新型的鈦合金材料，耐磨性和熱膨脹係數非常好，只是被做成發動機的進排氣門。所以剛開始被使用在汽車上的鈦合金，只是作為汽車零件。例如從2009年開始生產的GT-Rspec-Vcong 2010開始使用鈦合金消聲器。2015年圓石灘車展迎來義大利設計公司ICONA打造的手工超跑Vulcano，值得注意的是，Vulcano是全球第1輛以鈦合金材質打造的完全車身鈑件的汽車。使得其百公里加速只要2.8秒，極速可以達到354Km/h。雖然鈦合金車身只有非常少的應用，但是隨著材料加工技術的進步，或許也會逐漸發展成為一支重要力量。

用途實例：義大利設計公司ICONA打造的手工超跑Vulcano

新型高分子複合材料

新型高分子複合材料的優點非常多，主要表現在重量輕、有良好的外觀裝飾效果、有多種實際應用功能、有良好的理化性能、容易加工成型、節約能源，可持續利用等各方面。塑料、複合材料，而且是一種可降自然降解的材料，也是未來車身材料的發展方向。塑料良好的可塑性和彈性變形利於加工和降低碰撞損失，目前廣泛用於保險杠翼子板等易損部件，較低造價也令維修和更換十分便利。如日產SUV奇駿用塑料做前翼子板，悍馬H2車型的發動機艙蓋運用高強度塑料。

用途實例：豐田的超級跑車LFA全車都採用輕量化的高分子材料做成。

汽車車身材料的發展變化

隨著車身材料的發展，車身的材料雖然仍以鋼材為主，但材料的性能和比例都發生了改變，安全性、經濟性和實用性得到了提高，汽車車身材料主要在性能、材料選擇、質量上發生了巨大的變化。

（1）剛度、強度提高

現代車身高強度鋼、超高強度鋼、薄鋼板，炭纖維，鈦合金，廣泛應用於轎車外板、車門、頂蓋和行李廂蓋等部位，車身的強度、塑性、耐腐蝕性和點焊等性能得到很大提高。

（2）塑性、韌性增加

車身材料的塑性和韌性非常重要，現代車身材料通常使用增塑劑、普通鋼鐵採用回火處理等方式來提高塑性和韌性。同時也會增加Si、Mn、S、Sn等微合金元素在金屬材料中的應用，改善金屬性能。

（3）防腐蝕

鋼鐵材料具有優秀的強度、剛度、硬度以及加工性，但是鋼材最大問題是耐腐蝕性差。對於鋼製車身來說，材料生鏽會吸附更多水氣而加快其腐蝕，影響到車身整體強度，因此，防腐蝕尤為重要。相比新型鋼材，鋁車身碳纖維車身鈦合金車身等等新型材料的優點一下就凸顯出來了。

侃弟總結

科學研究，每降低10%車身重量，就可以減少10%廢氣排放，節省7%燃油消耗。所以各廠家都廣泛開展對於新材料車用化的研究。而 鋁、鎂合金在汽車車身中的應用逐年增加，侃弟認為在不久的將來，批量生產的全鋁車身將最先出現，特別在歐美地區，鋁、鎂合金在車身材料的構成中或許將佔主導地位。新型車身材料如碳纖維、鈦合金，複合材料在車身上的應用，將隨著這些材料成形問題的解決而逐步增大比例。車身材料呈現向更輕質、易成型、低成本、高穩定性發展的趨勢。雖然這些新型材料由於成本高昂，目前只出現在豪華車和跑車上，相信隨著科技的發展，生產工藝的改進，最終會普及到更多車型上。

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