汽车车身材料的研究及未来趋势

汽车车身材料的研究及展望

一、车身材料概述

多人认为，车身安全不安全，重要是车身牢固不牢固，钢板厚度越厚，也就越安全。但现代的轿车设计恰恰不是这样考虑，设计者从力学研究的角度出发，该柔软的地方就柔软，该刚硬的地方就刚硬，根据不同的受力状况，让部分车体在碰撞时起到吸能分散的作用，尽量减弱冲击力。已达到最大限度的保护驾驶员及成员的目的。在全球汽车厂商都在尽可能追求轻量化车身的条件下，保证乘员舱的坚固程度，减少撞击力对乘员的伤害，车身结构的作用非常关键采用吸能车身，在碰撞中通过前后的吸能区缓冲撞击力的强度，同时以高刚性的驾驶员舱为乘员提供了充分的生存空间。

汽车车身外壳绝大部分是金属材料，主要用钢板。早期的轿车车身沿用了马车车身结构，整个车身以木材料为主。1912年由爱德华.巴特首次制成了全金属的车身，1925年文森卓.兰西亚发明了承载式车身，车身由钢板冲压成型的金属结构件和大型复盖件组成，这种金属结构的车身一直沿用至今，得到不断的完善和发展。进入二十一世纪之后，节能减排的呼声越来越高，轻量化车身被推向高潮，高分子材料、铝合金、全铝等新型材料成为汽车车壳材料的新贵，走向人们的生产生活。

二、汽车车身材料分类

2.1镀锌薄钢板车身

从20世纪70年代开始轿车车身钢板采用镀锌薄钢板。镀锌薄钢板广泛应用在汽车上，这是因为它有良好的抗腐蚀能力。早年人们在试验中

发现，将铁和锌放人盐水中，二者无任何导线联结时，铁和锌都会生锈，铁生红锈，锌生“白锈”；若在二者间用导线联结起来，则铁不会生锈而锌生“白锈”，这样锌就保护了铁，这种现象叫牺牲阳极保护。工程师正是将这种现象运用到实际生产中，生产了镀锌钢板。

在近代，轿车已经广泛使用镀锌钢板，采用的镀锌钢板厚度从0.5至3.0毫米，其中车身复盖件多用0.6至0.8毫米的镀锌钢板。德国奥迪轿车的车身部件绝大部分采用镀锌钢板（部分用铝合金板），美国别克轿车采用的钢板80%以上是双面热镀锌钢板，上海帕萨特车身的外复盖件采用电镀锌工艺，内复盖件内部采用热镀锌工艺，可以使车身防锈蚀保质期长达11年。

2.2普通低碳钢版车身

在现代，汽车生产中，使用得最多的还是普通低碳钢板。低碳钢板具有很好的塑性加工性能，强度和刚度也能满足汽车车身的要求，同时能满足车身拼焊的要求，因此在汽车车身上应用很广。为了满足汽车制造业追求轻量化的要求，钢铁企业推出高强度汽车钢材系列钢板。这种高强度钢板是在低碳钢板的基础上采用强化方法得到的，抗拉强度得到大幅增强。利用高强度特性，可以在厚度减薄的情况下依然保持汽车车身的机械性能要求，从而减轻了汽车重量。例如BH钢板是在低强度的条件下，经过冲压成形之后，进行烤漆加工热处理，以提高其抗拉强度。对比之下，以往生产的强度在440MPa的钢板，在采用这种加工技术以后强度可增加到 500MPa。原来用厚度1毫米钢板做侧面板，用高强度钢板只需厚度0.8毫米。采用高强度钢板还可以有效地提高汽车车身的抗冲击性能，防止在行驶中由于路面的砂石飞溅碰撞产生凹痕，延长了汽车的使用寿命。

2.3全铝制车身

铝合金优异的延展性、只有钢材一半的密度和良好的耐腐蚀性都成为轻量化结构的首选材料。在很多人的印象中铝代表的是柔软易变形，我想这种

想法多来自于易拉罐、铝锅等日常铝制品。而实际航空级铝合金的机械性能甚至要超过钢铁，以比较常见的7075铝合金为例，它的抗拉强度是560MPa，不比前面提到钢材强度低。

而同样的重量的钢和铝，铝体积更大，可以在不增加重量的前提下增加结构强度。而且目前的铝制车身多采用厚壁锻铝梁焊接而成，就结构强度和刚度而言要比冲压薄钢更有优势，且机构的整体稳定性更好，在非设计受力方向受力时有更大的冗余度。此外，铝合金在大气环境下几乎不被腐蚀，可以无途装使用，不过处于美观的考虑，铝制车身依然会涂装上不同颜色的涂料。如奥迪现在的A6、Q7、A8、R8、TT等高端豪华车型及路虎的新一代揽胜和揽胜运动版都采用全铝制的车身结构，在保证车身刚性的同时发挥良好的行驶性能。新揽胜基本可以算是全铝车身了，其中B柱内板、C柱内板和D柱内板采用了热成形技术。该车型中铝合金应用以变形铝合金为主，其中铝板用量达到 74%，结构件采用挤压型材。压铸造铝合金应用主要解决一些较为复杂的或深冲的零件，尤其是减震器支座压铸铝合金的应用，面前在宝马、奔驰等车型上应用已非常成熟，此零件充分应用了压铸铝合金的优势，在此处可以实现将十几个冲压件的集成为一个压铸件，采用压铸工艺，可以提高尺寸的精度，降低模具的费用。

2.4碳纤维车身

随着航空技术的发展，在制造飞机时需要一种更轻更坚固的材料，这时金属材料已经无法满足航空工业的需求了，而由一种纤维材料取而代之。最早碳纤维在汽车领域主要应用在赛车上，直到现在也只有超跑级别的车辆用的上碳纤维。碳纤维是一种纤维丝状的材料，在制作成型时需要像织布一样纺织成片状，用有机胶浸润成形并固化，制作过程类似于玻璃钢。碳纤维具有绝佳的韧性和抗拉强度，且重量只有钢的1/4。轻量、高强的特性正是高性能车所需的，目前法拉利、兰博基尼等超跑的车身由碳纤维制成。不过碳纤维缺乏延展性是其缺点，在受到超出极限的冲击时碳纤维结构会如同玻璃一样破碎。而且碳纤维与其它材料的连接也是个问题，使用传统的栓

接，连接孔周围很容易产生裂纹。碳纤维材料的制造成本居高不下也是限制其应用的一个方面，即使是在航空领域碳纤维的应用也比较有限。

新车示例：兰博基尼Aventador的驾驶室采用了碳纤维聚合材料打造，达到了轻便和高强度的完美结合，这一部分的重量仅仅为147.5公斤，而整个新车的白车身也仅仅只有229.5公斤重。同时，借由全新材料的特性，其结构的抗扭强度可以达到35000Nm。

2.5新型高分子复合材料

高分子汽车材料有很多以往传统材料没有的优点。主要表现在重量轻、有良好的外观装饰效果、有多种实际应用功能、有良好的理化性能、容易加工成型、节约能源，可持续利用等各方面。塑料、复合材料、可降解材料也是未来车身材料的发展方向，塑料良好的可塑性和弹性变形利于加工和降低碰撞损失，目前塑料广泛用于保险杠翼子板等易损部件，较低的造价的也令维修和更换十分便利。如日产SUV奇骏用塑料做前翼子板，悍马H2车型的发动机仓盖运用高强度塑料，甚至丰田的超级跑车LFA全车都采用轻量化的高分子材料做成。

三、汽车车身材料未来发展方向

未来轻金属、复合材料等是车身材料的发展趋势，目前各国都广泛开展对于这些新材料车用化的研究，特别是要求轻量化的小型乘用车。相信未来一段时间车身材料会有一个飞跃式的发展，并且更加向航空领域贴近，更轻、更强仍然是车身材料的发展方向

（1) 铝、镁合金在汽车车身中的应用逐年增加，在不久的将来，批量生产的全铝汽车车身将出现，特别是在欧美地区，铝、镁合金在车身材料的构成中将占主导地位；铝制车身的缺点是自身造价较高，成型和焊接工艺都比