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新材料在汽車輕量化中的應用
發布:lee_9124   時間:2015/4/9 20:12:42   閱讀:2303 
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隨著工業化和城市化進程的推進,全球對環境和資源保護的意識不斷增強。世界各國在發展經濟的同時,越來越注重生態環境的協調發展,綠色環保和節能減排成為發展主題。在此形勢下,作為能源消耗和排放大戶的汽車工業要想實現可持續發展必須降低燃油消耗,減少污染排放。 

目前,主要有3種途徑解決汽車的節能、環保與安全問題,一是發展新能源汽車,二是發展先進發動機技術,三是實現汽車的輕量化。新能源汽車是發展方向,但目前 受基礎設施配套建設、價格和市場接受度等因素影響,進展緩慢。動力系統改進技術已經發展相當成熟,短期內進一步提升的空間不大。因此,汽車輕量化成為汽車 工業實現節能減排目標的主攻方向。 

汽 車輕量化是在保證強度和安全性的前提下,盡可能降低汽車整備質量,以提高汽車的動力性,實現節能減排。據統計,汽車每減輕10%質量,就會節省6%~8 %的燃料,會使排放下降4%。汽車輕量化的實現需要材料技術、輕量化結構優化設計技術、輕量化綠色制造技術3方面的進步,是材料、設計、加工成形技術等多 方面的集成,其中材料的創新是基礎和核心。為減輕汽車自重,眾多汽車廠商多年來一直進行材料研發,“以鋁代鋼”、“以塑代鋼”的口號很早就提出,但目前汽 車用主流材料仍舊是鋼,且在短期之內鋼的地位無法撼動。到底哪些新材料在汽車輕量化中應用,哪些因素制約了我國新材料的擴大應用?這些問題值得研究。 

一、汽車輕量化新材料的應用現狀 

1.材料種類趨向多樣化 

新材料的應用是汽車實現輕量化的關鍵。為實現輕量化,世界各大汽車生產商和材料生產廠家一直致力于輕量化材料的研發,輕量化材料應用的多少已經成為衡量汽車 生產技術和新材料開發水平的重要標準之一。早在20世紀70年代歐美等汽車生產商就開始了汽車輕量化嘗試,汽車發達國家投入了人力和財力支持汽車輕量化。 目前,用于汽車輕量化的材料主要有低密度的輕質材料和高強度材料,前者包括以鋁、鎂、鈦合金為代表的金屬材料和塑料、纖維等高分子材料,后者主要指高強度 鋼。鋁及合金主要用在汽車上的車輪、動力系和懸架系零部件,鎂及鎂合金大量用在殼體類零部件和支架類零部件,高強鋼主要用在汽車的結構件、安全件和加強件 等,塑料等高分子材料逐漸在油箱、風扇葉片、翼子板等結構件上使用。 

2.應用領域逐步擴大 

以高強鋼、鋁合金、鎂合金、復合材料等為代表的輕量化材料具有良好的減重效果,應用領域不斷擴大,需求規模不斷增長。以汽車工業最常用的輕量化材料鋁合金為 例,鋁合金具有密度小、比強度和比剛度高、循環利用性強、良好的導熱導電性能等優勢,在氣缸體、殼體、轉向盤骨架等零部件上大量使用,是汽車輕量化重要的 替代材料。加之鋁合金加工技術不斷發展成熟,通過對鋁合金適當的加工與處理,鋁合金強度還可以大幅提升。盡管與超高強鋼相比有一定差距,但仍可以滿足汽車 的很多應用,鋁合金應用范圍已經逐漸從車輪等零部件逐漸擴展到車身、車門和車蓋。目前,已經有福特、奧迪、捷豹等汽車生產商使用全鋁車身,國內奇瑞汽車等 廠家也逐漸開始全鋁車身的嘗試。有研究預測,未來汽車用鋁規模將會進一步擴大,汽車的鋁化界限可以達到30%~50%。 

3.減重作用日益突出 

輕量化材料的使用,可以大大減輕汽車自重,提高汽車的燃油經濟性。和傳統汽車材料低碳鋼相比,輕量化材料較低碳鋼可以減輕15%~60%的重量,如高強鋼、 鋁、鎂、玻璃纖維復合材料可分別減輕15%~25%、40%~50%、55%~60%、25%~35%的質量。為了實現輕量化,世界主要汽車廠商都相繼在 主要車型上使用輕量化材料,減重效果顯著。如福特公司使用全鋁車身,并在懸架系統、車門、發動機罩、保險杠等部件也使用鋁合金的新款F-150車型,與現 款車型相比,減重340kg,燃油經濟性提升20%;凱德拉克ATS整車使用高強和超高強鋼,前副車架和發動罩使用鋁合金,懸掛構件和發動機支架使用鎂合 金,較鋼制件減重近50%。從車身構造到內部配置,多種輕量化材料的使用不僅減輕了車身質量,也提高了安全性和舒適性。 

二、我國汽車輕量化新材料應用存在的問題 

我國汽車輕量化材料在應用中主要存在以下3個問題:輕量化材料普及率不高、輕量化效果不顯著和后期的維護服務不到位。 

1.輕量化材料普及率不高 

使用輕量化材料已經在我國汽車廠商內部達成共識,但實際中輕量化材料使用率并不高。這體現在2個方面,一是輕質材料使用率偏低,如鋁合金、鎂合金、復合材料 等輕質材料僅在高檔車上使用,且大都作為零部件,鋼仍然是主要的汽車用材料。數據顯示,我國鋼材在汽車整車的使用比例在60%~70%。未來3~5年,鋼 板特別是高強鋼板的主流地位難以撼動。二是我國的高強鋼板應用比例遠不如國外。高強鋼的應用比例低表現為高強鋼的使用量和強度級別均低于國外,如國外汽車 上高強鋼的使用量占汽車總量的比例達到70%,而國內只有40%左右。此外,盡管我國逐步實現了汽車用鋼的國產化,已經有寶鋼集團、武鋼集團、鞍鋼集團、 本鋼集團、首鋼集團等鋼企具備生產汽車用高強鋼的能力,但是仍有部分高檔汽車面板及優質鋼依賴進口,無法滿足市場需求。 

2.輕量化效果不顯著 

經過多年發展,我國汽車輕量化取得了一定的進步,但與國外先進國家相比,我國自主品牌汽車的輕量化水平整體不高。我國自主品牌轎車的自質量比發達國家重 8%~10%,若在重量相當的情況下,我國自主品牌轎車比國外同類車型的安全性差2~3個等級。我國商用車比國外同類產品重10%~15%,重型載貨車平 均重20%以上。據測算,我國汽車與國外相比,每輛汽車平均消耗汽油或柴油2.5t/(車·年),高于美國的1.6 t/(車·年),歐洲的1.1 t/(車·年),日本的1 t/(車·年),導致我國單車年消耗高于歐美日同類產品,汽車的燃油經濟性不高。此外,我國汽車百公里平均油耗也高于國外,汽車輕量化效果與國外相比差距 較大。 

3.后期的維護服務不到位 

輕量化材料在汽車上使用后,后期的保養與維修服務也很重要。和傳統鋼材料的后期維護服務相比,我國這方面的服務還不到位。如傳統鋼材料制車身受到撞擊變形 后,可以通過鈑金技術進行修復,且汽車修理商都能提供相關的維修和養護服務,但是鋁制車身受到損壞后,鈑金修復技術難度較高,相關配套維修和養護服務也比 較匱乏,大部分汽車修理商因技改成本高而無法提供后期維護服務。除了鋁合金,碳纖維等其他輕量化材料也存在缺乏后續配套服務等問題。 

三、制約我國汽車輕量化新材料應用的因素 

汽車輕量化材料的應用要求技術上可行和經濟上合理。因此,技術和成本成為了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多年發展的難題。 

1.技術不過關 

汽車輕量化要求材料變輕、變薄,但強度不能減少甚至要提高,但材料強度提高后,加工難度也變大。如車用鋼板強度提高后就要求更高的沖壓工藝,以盡可能減少深 沖過程中材料的裂紋和折皺。我國很多鋼廠在這方面不斷加大研發投入,但仍然無法克服鋼板強度和沖壓之間的矛盾;此外,我國熱成型高強度鋼生產線主要從國外 引進,熱成型技術和應用基礎數據庫還未建立,熱沖壓成形技術與國外差距較大。鋁合金面臨合金改良和制造工藝靈活化等技術挑戰,車身成型技術、批量生產的高 速連接技術等還沒有取得實質性突破;復合材料工業整體比較落后,碳纖維等高端材料核心技術掌握在日本東麗株式會社、東邦化學工業株式會社等國外少數企業手 中,國內能生產高端碳纖維的企業較少。技術不過關制約了我國汽車輕量化新材料的應用,我國高強鋼、高端鋁用量較國際先進水平少一半。 

2.成本較高 

除了技術瓶頸,使用輕量化材料帶來的成本增加也影響了其普及應用。一是研發成本較高,企業得投入大量人力、物力、財力進行新材料研發,周期長,風險高,投資 回報率不確定,盡管材料企業和汽車企業都認同汽車使用輕量化材料的趨勢,但是實際中只有少數企業有實力從事輕量化新材料的研發。二是材料成本過高,這主要 體現在鋁、鎂等合金材料以及復合材料上。和傳統的鑄鐵、鋼材相比,鋁合金、鎂合金、碳纖維的價格較高;和同為輕量化材料的高強鋼相比,輕質材料價格也不具 有明顯優勢。汽車通過使用這些輕質材料減重1kg,整車企業的成本會大大增加。如奧迪早在20世紀90年代就通過技術改良實現了鋁制車身,但目前為止,民 用車上僅有奧迪和捷豹路虎2家車企使用全鋁車身。三是制造成本高。如鋁合金因生產技術不過關和工藝流程復雜,導致生產制造成本較高。汽車面板用鋁合金一旦 發生磨損或變形,還需要全部更換。除了鋁合金,碳纖維也存在量產工藝不成熟、生產成本高的問題。此外,對于汽車企業而言,更換材料相應地更換生產線和設 備,企業成本將大幅增加。 

四、我國推廣汽車輕量化新材料的措施建議 

高強鋼、鋁合金、鎂合金、復合材料等汽車輕量化材料特性不同,用途不同,存在一定程度的替代,但不能完全替代。高強鋼碰撞性能強,加工工藝成熟,成本優勢明 顯,但減重效果不如其他材料;鋁及鋁合金生產工藝比較成熟,但承載力、力學性能等與鋼相比仍有差距;鎂的密度低、質量輕,但造價高,全生命周期的時候碳排 放較高;塑料制品質量輕、加工性能良好,但在回收處理過程中存在環境污染問題,限制了其使用范圍。因此,汽車輕量化新材料的選用是安全、性能、成本、環保 等多因素權衡的結果,多材料是汽車材料使用的基本戰略。在汽車輕量化的大趨勢下,推動多種汽車輕量化新材料發展勢在必行。 

加強上下游多方合作,推動技術創新。支持上游材料企業與下游汽車生產商開展研發合作,推廣EVI模式,應用現代信息技術,豐富完善汽車材料產品設計、仿真模 擬等技術,提供良好的材料產品解決方案,為下游汽車生產商不斷提供新材料和個性化服務。鼓勵材料企業根據汽車廠商實際需求,優化材料結構和工藝選擇,生產 輕量化、通用化、模塊化、環?;钠嚵悴考?,培養集研發、設計、制造、服務等為一體的大型材料供應商。推動汽車生產制造商積極開展與材料企業的多向合 作,建立共同研發模式,汽車廠商及時反饋市場需求,參與新材料及新產品的開發推廣,形成新材料研發聯合體。 

強化產學研用合作,提高自主創新能力。加大基礎研究投入,鼓勵高校、科研院所等開展輕量化材料基礎和核心技術攻關,并加強與企業的研發合作,突破一批新技術 和產業化關鍵技術,加快科研成果的產業轉化。支持企業引進國外先進技術進行消化吸收再利用,加強內部研發,推動企業成為應用技術的研發主體,同時鼓勵企業 與高校、科研機構等共建重點實驗室、工程技術研究中心等,強化外部研發,提高創新活動效率。加強政策支持,通過新材料、技改專項等資金支持汽車輕量化新材 料的研發,鼓勵金融機構加大對汽車輕量化新材料項目的信貸支持力度,營造有利于輕量化材料創新發展的氛圍。 

加大應用市場開拓,實現規?;a。把握汽車輕量化大趨勢,積極研發新產品,找準產品定位,優化產品結構,刺激市場需求,搶占更多市場份額,帶動汽車輕量化 材料的技術進步和規?;a,實現規模經濟,進而促使成本下降,進一步擴大市場需求。通過技術創新控制材料生產制造成本,注重材料的回收利用,提高材料利 用率,完善汽車輕量化材料“材料研發-原材料生產-零部件制造-整車集成應用-回收再利用”的全產業鏈,推動汽車輕量化材料的綠色發展,拓寬下游應用市 場。鼓勵材料企業在研發生產現有汽車輕量化材料的同時,延伸產業鏈,完善配套服務,提高后期維護服務能力,推動輕量化材料的產業化發展。

來源:新材料在線
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