汽车轻量化先进材料纵览

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算结果。
塑料聚合物，如连续玻璃纤维 与热塑性树脂改性聚丙烯复合材料 （ＧＩ ａ ｓ ｓ Ｍ ａｔ Ｒｅｉ ｎｆｏ ｒｃｅｄ ＴｈｅｒｍｏｐＩａｓｔｉｃｓ，ＧＭＴ）是最佳 的车用轻质材料，其密度仅为金属 的１／５。用塑料制造汽车零部件所 消耗的能量仅为钢材能耗的１／２。 还具有加工容易、成型性好、耐腐 蚀等特性。目前轿车上使用ＧＭＴ材 料的零部件有８００多种。主要有发 动机罩、仪表板骨架、蓄电池托 架、座椅骨架、轿车前端模块、保 险杠、行李架、备胎盘、挡泥板、 风扇叶片、发动机底盘、车顶棚衬 架等。除了可用来制造零部件之 外，还有望应用在整个车身制造 上，即所谓“全塑车身”。但是， 不同种类的塑料聚合物材料的性能 千差万别，塑料的强度、耐冲击 性、耐蠕变性及抗老化性也是其难 以克服的弱点。
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垒！塑竺塑！！！！！堕垫！！：塑
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◆图２夹层结构
支持面板，使其不失去稳定性．可 较大幅度地减轻构件的重量。而且 由于芯材较轻，面板较强，从而能 同时达到重量轻、性能好这两个要 求，是提高汽车结构效率的重要途 径。
但是，基于复合材料的多材料 轻量化还尚未在汽车领域得到广泛 应用，主要是由于以下几个技术问 题：
◆图１先进高强钢生产的冷却模 式和组织演变示意图
铝合金具有高强度、耐侵蚀、 热稳定性好、易成型等一系列优 点，已经在车身、底盘及悬挂系 统、发动机和车轮等部件的制造上 得到成功的应用，但是由于铝合金 中有较高含量的硅和铁，使之回收 再利用成为新的难题，从而影响铝 合金的更大规模使用。镁比铝更 轻，可以作为铝的最佳替代用品。 随着汽车轻量化技术的发展，已有
云·叉量化对于汽车业的发展 斗ｉ具有重要意义。汽车的
油耗主要取决于发动机的排量和汽 车的总质量，在保持汽车整体品 质、性能和造价不变甚至优化的前 提下，通过降低汽车自身重量来提 高输出功率、降低噪声、提升操纵 性、可靠性，提高车速、降低油 耗、减少废气排放量、提升安全性 是汽车轻量化的最终目标。
有研究数字显示。若汽车整车 重量降低１０％，燃油效率可提高 ６％～８％；若滚动阻力减少１０％， 燃油效率可提高３％；若车桥、变 速器等装置的传动效率提高１０％， 燃油效率可提高７％。汽车车身约 占汽车总质量的３０％。空载情况 下，约７０％的油耗用在车身质量 上。因此，车身变轻对于整车的燃 油经济性、车辆控制稳定性、碰撞
安全性都大有裨益。 当前，能源日趋紧张、环境压
力加剧，我国汽车业的可持续发展 遭遇挑战。作为有效的节能手段， 汽车轻量化技术已经成为汽车工业 发展中的重要研究课题之一。
技术专家介绍说，实现汽车轻 量化主要有三种途径：一是对汽车 底盘、发动机等零部件进行结构优 化，在结构设计上主要采用前轮驱 动、高刚性结构和超轻悬架结构等 方法；二是在使用材料方面通过材 料替代或采用新材料来使汽车轻量 化。在替代材料方面，可使用铝镁 轻合金等有色金属材料、塑料聚合 物材料、陶瓷材料等密度小、强度 高的轻质材料，或者使用同密度、 同弹性模量而且工艺性能好的截面 厚度较薄的高强度钢；三是采用先 进的制造工艺，使用基于新材料加
玻璃纤维增强塑料（ＦＲＰ）等新 品种已随着技术的成熟而正在扩大 应用，主要用于车身的外装件和功 能件。可用于车门、发动机罩、前
格栅、翼子板、保险扛骨架、门 柱护板、通风百叶窗、导流罩等 近２０种车身板件。但仍然有许多 技术问题需要解决。
日本汽车配件制造商 Ｓａｎｏｈｑ－业有限公司在其创新的 部分零排放车辆（ＰＺＥＶ）多层燃油 管线中，选用阿科码（Ａｒｋｅｍａ）公 司高抗化学性的聚胺Ｒｉｌｓａｎ ＰＡｌ １为生产材料。这一产品采用 创新的多层技术，显示出极高的阻 隔性能，可大幅减少烃的渗透，甚 至在汽油中含有乙醇时也不例外， 减少燃油扩散，降低燃油泄漏的风 险。这一技术与现有的聚胺１２和 ＥＴＦＥ多层复合结构相比，其渗ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 程度和成本均大幅降低。
工技术而成的轻量化结构用材，如 连续挤压变截面型材、金属基复合 材料板、激光焊接板材等，也可以 达到轻量化目的。
德国Ｐ ａ ｄ ｅ ｒ ｂ ０ ｒ ｎ大学 ０．Ｈａｈｎ等人提到“多材料轻量化 结构”及“合适材料用在合适的部 位”两个概念，给出了车身材料的 发展趋势，通过对多材料进行结构 优化，既能改进汽车性能，又能显 著减小质量。当前材料的组合仍以 高强度钢、铝、镁和复合材料为 主。另外，工程塑料的应用比例也 在逐年上升。
在目前及至今后相当长的一段 时期内，钢仍然是汽车车身制造用 材的最佳选择：钢材不仅具有优异
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的性能价格比，还有长期积累起来 的冶金技术和成型加工经验，使之 在汽车行业中仍然坐拥不可撼动的 霸主地位，只是更高强度的特殊钢 材的用量会增加。
特殊钢材是从材料加工的角度 出发，使经过特殊加工后的钢板材 料的承载性能、成型性能或者其他 方面的性能大大提高。
传统工艺生产的普通高强度钢 板抗拉强度和屈服强度相对较低。 而采用先进设备及工艺生产的先进 高强度钢板，具有高的减重潜力、 碰撞吸能特性、疲劳强度和成形性 等优点。
高强度钢板热成形技术，对高 强度钢板热冲压后进行热处理，可 以显著提高材料的强度和成形能 力，非常适合于制造加强梁、防撞 杆及保险杠等在发生碰撞时能够起 到减少变形作用的被动安全车身零 部件．在实现车身轻量化的同时提 高了汽车的安全性能。国外对高强 度钢板的研究和应用比较广泛，高 强度钢板热成形构件在汽车上的用 量也在逐渐增加，同时激光拼焊和 液压成形等技术也得到了广泛的应 用。国内也逐渐开展了高强度钢板 的应用研究，并从国外引入生产 线，生产几款轿车车身的Ａ柱、Ｂ 柱、防撞梁和保险杠等几种；中压 件。但热成型的高强度钢板构件在 车身上应用得较少。
复合材料的结构优化是其性能 达到最大限度发挥的保证，下面让 我们来看一种先进的泡沫夹层结 构。
采用ＰＭＩ泡沫夹层结构可以在 保持结构同等性能的情况下，达到 汽车轻量化的目的。
夹层结构是一种多材料混合结 构体系，通常由上下面板及中间的 芯材组成，如图２所示。芯材一般 采用轻质材料（通常为蜂窝或者泡 沫），既可以承受剪切载荷也起到 减震和吸收噪音的功能。面板则一 般采用强度和刚度均比较高的复合 材料，可以是层压板也可以是缠绕 或编织成型的复合材料板。夹层结 构传递载荷的方式类似于工字梁。 上下面板提供面内的刚度和强度， 承受由弯矩或面内拉压引起的面内 拉压应力和面内剪应力，芯材提供 面板法向方向的刚度和强度，承受 压应力和横向力产生的剪应力，并
２００９年１２月１０日，安钢首批 自主研发的ＡＧ７００ＭＣ高强度汽车 用钢卷板在三门峡俊通车辆厂试用 成功，卷板经开平、下料、性能检 验、折弯成型，各项指标优良。 ＡＧ７００ＭＣ为抗拉强度８００ＭＰａ级
高强钢，是针对汽车用钢轻量化而 研发的，主要用于汽车纵横梁、汽 车车厢等，可使汽车减重４０％左 右。
传统高强钢多是通过固溶、析 出和细化晶粒作为主要强化手段，
而先进高强钢（ＡＨＳＳ）是指通过 相变进行强化的钢种，组织中含有 马氏体、贝氏体和／或残余奥氏 体，包括双相钢（ＤＰ）、ＴＲＩＰ 钢、复相钢（ＣＰ）和马氏体钢 （Ｍａｒｔ）等。先进高强钢的强度和 塑性配合优于普通高强钢，兼具高 强度和较好的成形性。特别是加工 硬化指数高，有利于提高冲撞过程 中的能量吸收，这对减重的同时保 证安全性十分有利。汽车用先进高 强钢（ＡＨＳＳ）分为热轧、冷轧和 热镀锌产品。其工艺特点都是通过 相变实现强化，如图１所示。此 外，还有一种热冲压成型模具淬火 硬化的超高强钢在欧洲的汽车制造 业获得了广泛应用。该类钢种在 Ａｒｃｅｌｏｒ的商标为ＳＩ ＢＯＲ １ ５００。
基于复合材料的多材料轻量化 的一个典型实例就是道奇ＳＲＴ一１ Ｏ， 该型轿车采用了多种复合材料以及 制造工艺。其翼子板采用了玻璃纤 维增强复合材料（反应注塑成型工 艺），发动机盖采用了玻璃纤维增 强复合材料（ＳＭＣ工艺），翼子板 支撑面、挡风玻璃窗框和门板采用 了碳纤维增强复合材料（ＳＭＣ工 艺）。
将阿科码公司的生物基Ｒｉｌｓａｎ ＰＡｌｌ与燃油阻隔材料聚苯硫醚 （ＰＰＳ）结合在一起，生产的传导性 和非传导性的新型燃油管均符合严 格的日本汽车标准要求。
全球变暖和其他环境问题推动 了汽车行业的进步，以此减轻当今 汽车对环境的影响。一些政府法 规，如加州法律或ＥＵＲＯ ５，都对 燃油泄漏和尾气排放有严格限制， 并接近零排放水准。为了达到这些 严格的法规要求，燃油系统中配备 了阻隔材料。以此将燃油通过燃油 系统的扩散量降至最低水准。 Ｒｉｌｓａｎ ＰＡｌ １具有独特的耐化学品 性能（耐酸性汽油）、低温冲击性、 耐压性以及在高温下的耐久性。 Ｒｉｌｓａｎ ＰＡｌ １和燃油阻隔材料 ＰＰＳ相结合形成全新的多层结构． 实现了在部分零排放车辆中的应 用。
６０多种汽车零部件开始用镁合金制 造，世界上镁材料的消耗日益攀 升，然而在地球上，镁恰恰是一种 比较稀缺的金属，其价格昂贵自不 待说，再加上镁合金在加工成型方 面的困难，更限制了其被广泛应 用。
将汽车复合材料的概念从过去 的单纯的短纤维增强复合材料结 构，例如ＳＭＣ、ＧＭＴ中摆脱出 来，将纤维增强复合材料、设计与 制造工艺相结合，和其他材料相结 合，实现最终的多材料结构方案。
（１）适应高产量生产的复合 材料制造工艺，以缩短目前复合材 料的生产制造工艺过程。
（２）复合材料工艺自动化， 特别是增强材料的铺放，对降低制 造成本、缩短生产周期及质量控制 自动化的工艺是必要的。
（３）降低原材料的价格。 （４）适合新的报废汽车法规 的复合材料及其工艺。 （５）汽车用复合材料检测方 法。 （６）汽车合成材料的设计程 序。所有汽车制造厂都已经开发了 金属零件的设计程序，但一般不能 为复合材料所用。 （７）新的复合材料数字模 拟。这些模拟需要在以下三个方面 有判定能力：典型材料性能的可用 性；材料模拟的精确性；要求的计