车用轻量化材料现状及发展趋势

车用轻量化材料现状及发展趋势
发布时间：2021-05-31T10:40:48.633Z 来源：《基层建设》2020年第30期作者：陈新正
[导读] 摘要:金属材料是汽车轻量化的主要发力方向，但非金属材料在提高产品性能、减低产品重量方面也起到了一定的作用，如聚丙烯、纤维增强复合材料、陶瓷。

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摘要:金属材料是汽车轻量化的主要发力方向，但非金属材料在提高产品性能、减低产品重量方面也起到了一定的作用，如聚丙烯、纤维增强复合材料、陶瓷。

对车用金属轻量化材料的应用现状与发展趋势进行了重点分析。

高强度钢是车体材料中最重要且用量最大的材料，能够减低厚度，提高结构件的承载力与防撞能力，而且价格低廉，具有突出的可焊接性、可重复利用性。

铝合金的抗拉强度和抗疲劳性能良好，在碰撞试验中具有更为突出的安全性，但铝合金现阶段生产成本较高。

镁合金是车身用金属材料中最轻的，密度低，具有良好的减震性、导电性、导热性、压铸性。

但其抗拉强度、抗疲劳强度、弹性模量均不如铝合金，而且镁合金比铝合金更容易被氧化腐蚀。

在汽车轻量化方面，高强度钢、铝合金、镁合金等轻质金属材料已有了完整的商业应用，但针对不同档次、不同用途、不同性能要求的汽车产品，还需要大力将轻量化技术向中低端车型普及，降低轻量化零件的成本。

关键词:车用轻量化材料;现状;发展趋势
引言
随着人们生活水平的不断提高，汽车的需求量有了显著提升。

汽车的大量使用对生态环境和能源资源造成严重危害，需要通过优化结构设计，选用新型材料以减轻汽车重量、减少燃油消耗和尾气的排放，同时也可以提高汽车的动力性能。

因而轻量化技术的研究在当今具有重要意义。

一般来说，减轻汽车重量的方法有两种：优化车身的结构设计，选用轻量化材料。

而选用轻量化材料是最有效的方法。

轻量化材料指的是具有较高比强度的新型材料，比强度为材料强度与密度的比值。

1车用轻量化材料现状及发展
一台家用轿车金属材料一般占比在80%，非金属材料占比在20%。

金属材料主要包含钢、铸铁、铝合金等。

非金属材料主要包括玻璃塑料、陶瓷和玻璃等。

金属材料占比高是汽车轻量化的主要发力方向，但非金属材料在提高产品性能、减低产品重量方面也起到了一定的作用。

塑料具有轻质化特性，兼具成形难度低、不易被化学物质腐蚀等特性，在车内饰以及部分外部结构件上得到了广泛应用。

1.1铝合金
铝合金具有优良的比强度和比刚度，可以很好的运用在汽车轻量化中，因此不断开发新型铝合金基体材料具有十分重要意义。

目前，铝合金在汽车领域之中主要是应用于车架，车身，车门和顶盖等汽车部件，主要使用的铝合金铸件为A356，目前能达到280 MPa屈服强度和340 MPa的抗拉强度，已经相当于一些高强度钢；锻件为6061，屈服强度能到350 MPa以上，抗拉强度能达到400 MPa以上，半固态铸造铝合金为ZL201，ZL116等，强度也在不断提高。

铝合金铸件A356目前主要是用于汽车轮毂铸造行业，传统汽车轮毂主要是使用钢材料制造，钢铁合金制造工艺简单，成本较低，抗金属疲劳强度也较高，结实耐用，但是其制备的轮毂相对于铝合金轮毂而言，具有很大的质量，由于是钢铁材料，因此不易加工，所以外形不佳。

有着惯性阻力大，散热性不好，能源浪费相对较大等缺点。

A356铝合金材料虽然同样是使用铸造制的，但是其目前广泛使用的是低压铸造，铸造过程相对而言更加容易，铝合金塑韧性也更好，因此材料具有更优良的加工性能，在保证屈服强度和抗拉强度的前提下，A356铝合金相比于钢铁合金而言，可以减轻轮毂30%以上的重量，实现轻量化的目标。

同时A356铝合金具有更好的抗腐蚀性，因此制备的轮毂更美观整洁。

铝合金锻件6061目前主要是用于板材等汽车零部件的生产，相比于以前钢铁板材而言，6061不仅能达到高强度钢的强度，同时具有更优良的加工性能和塑韧性，因此其具有更好延伸率，能达到6%以上。

在整个汽车板材使用中，使用6061铝合金可以一次减重35%以上，同时也可以产生二次减重效果，使得整个汽车承重件减轻10%以上，综合起来减重效果十分明显，轻量化目标可以进一步实现。

半固态铸造铝合金目前主要使用的ZL101，ZL201，ZL205A等主要是使用在汽车副车架等汽车部件，其目前能达到250 MPa左右的抗拉强度和200 MPa左右屈服强度，而且目前性能也在不断提升，具有广阔前景。

相比于传统的钢铁合金制备的副车架，使用ZL201制备的副车架保持了高强度的同时，具有更优良的加工性和塑韧性，重量也降低30%以上。

总而言之，使用铝合金材料有利于汽车行业轻量化的发展，是汽车轻量化的重要实现途径之一。

使用铝合金材料，可以使汽车减重达到40%以上。

1.2镁合金
镁合金是车身用金属材料中最轻的，比铝合金轻33%，比钢轻75%。

镁合金密度低，具有良好的减震性、导电性、导热性、压铸性，制备方法相对简单，设备投入低，铸造镁合金在汽车车身制造上也得到了广泛应用，如刹车支架、支架总成、座椅基座、阀盖、凸轮盖、变速箱，等等。

镁合金在车身材料的使用占比较低，主要是其自身还有需要解决的问题。

同等体积的镁合金做成的车架，其抗拉强度、抗疲劳强度、弹性模量均不如铝合金，而且镁本身比铝要活跃，镁合金也比铝合金更容易被氧化腐蚀。

在美国汽车制造商生产出的汽车中，镁合金零部件的重量平均约12磅，仅占一辆汽车全部材料的0.3%。

国内的镁资源丰富，国外的镁资源相对匮乏，我国发展镁合金有较大的成本优势。

但国内对镁合金的研发尚处于初期阶段，还需加大科研投入，依靠成本优势及本土市场规模来体现出与国外品牌的差异化，进而更好地推动汽车行业的发展。

1.3纤维增强复合材料
纤维增强复合材料(FＲP)根据添加的纤维不同，可以分为玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料和芳纶纤维增强复合材料。

该材料具有比强度大、比模量大、耐疲劳性好等特点。

优秀的比强度可以减小零件的质量，优秀的比模量可以提高零件的刚性。

由碳纤维和环氧树脂组成的纤维增强复合材料可以达到钢材的7倍比强度和3倍的比模量。

金属材料的疲劳破坏和疲劳损伤基于表面很难判断，而纤维增强复合材料因为自身的材料特性，纤维部分会先于基体材料从纤维的薄弱处开始出现破坏或损伤，在检修中更容易发现已疲劳的零件，能够及时进行更换，减少事故的产生。

1.4陶瓷材料
陶瓷材料具有绝缘、高硬度、耐磨、耐高温等优良特性。

高铝陶瓷、氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷在汽车领域应用广泛，气门、气门挺杆、活塞和轴承等部件都有使用。

特种陶瓷的使用使陶瓷原本的特性更加突出，减小了零件体积，提高了零件性能，可在与发动机相关的应用中替代金属零件，提高了发动机的热效率，延长了易损件的使用寿命，陶瓷零配件成为了高性能零件不可或缺的力量。

2结束语
汽车轻量化是实现节能、减排的重要技术措施之一。

世界铝业协会的报告指出，汽车自重每减轻10%，燃油消耗可降低6%~8%。

因此，汽车轻量化对于节约能源、减少排放、实现可持续发展战略具有十分积极的意义。

高强钢、铝合金、镁合金和天然纤维增强聚合物生态复合材料是当前轻量化、节能环保、可回收汽车新材料的重要组成。

轻量、节能、环保和可回收将成为国内外汽车工业发展的重要方向。

参考文献：
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