汽车轻量化及使用材料多元化

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　　1前言

　　近年来，世界各汽车制造厂不断推进汽车轻量化。在汽车用材方面，除了钢铁材料，铝材和碳纤维强化树脂（CFRP）的使用也在增加。车体采用多种材料的“材料多元化”有了很大进展。

　　欧盟2013年开始销售的宝马电动汽车“i3”的驾驶室和底盘分别采用CFRP和铝材，使车体大幅度轻量化。i3的年销售量超过1万辆。大大超过此前CFRP车的销售量。

　　之后，2015年开始生产的BMW7系插电混合动力车采用了超高强度钢板、铝材、CFRP铝材补强材料等多种材料，进一步推进了车体的材料多元化。

　　戴姆勒从2014年开始销售的新车型梅赛德斯-奔驰“C级”、“E级”车的外板采用超高强度钢板和铝材，实现了数十公斤的轻量化，降低了燃油效率。

　　奥迪Q7正式将铝材作为车体材料。

　　美国著名的福特皮卡车“F150”的2015年车型的驾驶室和后货箱盖板改变为铝材结构，重量减轻320kg（减重15%）。

　　日本的本田技研工业公司第二代超级车“NSX”的车体骨架采用铸造铝材、挤压铝材和铝板材，外板采用铝材和CFRP。

　　丰田汽车2017年开始销售的插电式混合动力车（PHV）“普锐斯”的后车门骨架采用CFRP。

　　本文首先对钢铁向铝材、树脂等轻型材料的转化背景进行介绍，然后分别对钢铁、铝材、树脂等材料进行分析，最后提出在推进汽车用材多元化的进程中需要解决的问题。

　　2世界性汽车燃油效率法规的强化

　　全球各汽车制造厂努力推进汽车轻量化可以归因于世界性的汽车燃油效率法规的强化。运输领域的温室气体排放量占世界温室气体排放量的比例很大。因此为抑制温室气体排放，对汽车燃油效率进行规定是必须实施的措施。实际上，世界主要国家对汽车燃油效率的规定不断严格化。例如，美国规定2025年乘用车燃油效率是23.9km/L，比2013年燃油效率提高了61%。过去汽车制造厂在汽车动力系统改善方面进行投资研究，通过发动机混合动力化等方法提高燃油效率，今后除了进行这种投资，还要推进车体轻量化。一般来说，车体每减轻100kg，燃油效率可提高1km/L。

　　另一方面，必须认识到，车体轻量化并不是很容易实现的。这是因为，车体有向大型化方向发展的趋势，并且为了达到安全规则的规定和实现电动化提高乘用的便利性，在汽车内增加安全气囊和导航系统等装置，使汽车重量增加。因此，为了使汽车的轻量化超过其重量增加量，不仅要采用比过去材料更轻的材料，而且要进行车体结构改革、改变部件形状和部件数量。通过这两方面的综合措施实现汽车轻量化。

　　3各类材料轻量化动向

　　3.1钢铁材料：高强钢比例增加

　　过去，汽车用钢铁材料是具有强度、成形性、环境性（循环利用）以及价格等多方面优势的良好材料。随着近年来汽车轻量化的推进，汽车用钢材也发生了变化。强度高、加工性好的高强度钢比例不断增加。高强度钢是添加C、Si、Mn等元素、进行组织控制提高强度的钢材。其制造方法往往被钢厂视为保密内容。高强钢的强度高于普通钢材，因此可薄型化，容易实现轻量化。一般来说，高强度钢的强度升高，在进行复杂形状部件冲压成形时，容易产生裂纹。为此，对高强度钢进行组织微细化，使高强度钢在提高强度的同时，不易产生裂纹。并且生产成本没有增加。现在已经开发出980MPa级以上的超高强度钢材，并用于保险杠防撞梁和车门抗冲击梁。

　　另一方面，用于汽车的钢铁材料的比例逐渐下降。15年前钢铁材料占汽车用材的80%，现在已经下降到70%左右。但是，高强度钢占汽车用钢的比例升高，接近60%。今后，将钢板加热后进行冲压成形，然后快速冷却使部件强度有飞跃提高的热冲压技术、将不同厚度的部件进行拼焊的技术以及使部件具有不同强度的局部淬火技术将会得到扩大应用。

　　因此可认为，作为汽车用材的、具有综合优良特性的钢铁材料（特别是高强度钢）的需求，今后不会大幅度下降。钢铁材料将继续保持在汽车用材方面的优势地位。

　　3.2铝材：轻量化的最佳材料

　　铝材是汽车轻量化材料的强力候补材料。铝材很轻，其重量是钢材的1/3、并且耐蚀性、导热率、铸造性都好于钢铁。铝材目前已经主要用于发动机、车轮、变速箱、悬架弹簧等铸锻部件和挤压成形部件。最近，铝材已经用于保险杠防撞梁、车门抗冲击梁、发动机罩、车门、挡泥板、行李箱盖、车顶等部位。此外，为提高强度的热处理铝合金材的用量也不断增加。过去为了避免与钢铁材料的接合，铝材仅限于用于与车体通过螺钉接合的部件。现在，为应对轻量化的要求，车顶等非螺钉接合部件也使用了铝材。根据达科市场咨询公司（Ducker Worl dwide）的预测，2025年小型车85%的发动机罩和46%的车门将实现铝材化。

　　目前铝材在汽车上使用的重量比例最高不超过10%左右，但随着燃油效率的不断严格化以及对汽车轻量化要求的提高，铝材用量将会逐渐增加。美国主要推进铝材在发动机罩的应用，欧盟还扩大铝材在发动机罩以外部位的应用，日本也有若干铝材应用的事例。

　　2015-2025年，北美一辆汽车的铝材用量的年增长率为2.4%，到2025年达到每辆车500l b（227kg）。2016-2025年，欧盟一辆汽车的铝材用量年增长率为1.9%-3.0%，到2025年达到178.2-196.2kg。根据这个预测，美国的美铝公司等铝材大企业将在生产汽车铝材设备方面进行大额投资。日本大型铝材生产商UACJ与荷兰肯联铝业（Constellium）于2016年合作建成年产10万吨的铝材汽车面板生产厂。UACJ预测，2020年汽车用铝板的市场需求量将达到150万吨，是2012年（不到10万吨）的15倍。

　　另一方面，在铝材用作汽车材料时存在几个需要解决的问题。首先是，铝材生产消耗大量电力，因此生产成本大于钢材。按重量计算，铝材成本是钢材的3倍；其次是成形困难，铝材的伸长率小于钢材，并且容易产生皱折和裂纹，冲压加工比较困难；第三，接合成本高于钢材，由于铝材的导热率和导电率大于钢铁，所以，在进行点焊时，施加的压力约为钢铁材料的2倍，使用的电流约为钢铁材料的2-3倍。

　　对于铝材生产成本高的问题，如果使用循环利用材料，可以降低铝材的生产成本。使用循环利用材料生产铝材时，能耗只有利用新原料生产铝材的2%。

　　对于成形和接合困难的问题，铝材厂和汽车制造厂正在进行铝材中添加Cu，提高成形性和接合性的研究。关于铝材与钢材等异种材料的接合技术，使用黏结剂的自冲铆接（self-piercing riveting）等机械接合方法和利用摩擦能的搅拌摩擦焊接方法受到关注。目前马自达和本田汽车已经将搅拌摩擦焊接技术用于铝合金行李箱盖与钢板折叶的接合以及副车架用铝材-钢板的接合。

　　根据用途，在车体适用部位使用适宜的铝材对于车体铝材化十分重要。在进行铝材用途开发的同时，改进加工等相关技术，将会扩大铝材在车体的应用空间。可以预计，铝材作为汽车外板的使用比例将会提高。

　　3.3 CFRP：作为结构材料实现轻量化

　　3.3.1 CFRP作为轻量化材料的优点

　　汽车轻量化的另一个良好的候补材料是CFRP。目前，CFRP已经用于汽车的内装部件和外装部件。其用量是汽车总重量的10%。最近，玻璃纤维强化树脂也开始用作汽车结构材料。强化树脂作为轻量化材料有如下优点。

　　1）比钢材轻，但为了保持一定的刚性需要增加树脂厚度。从保持刚性的要求考虑，铝材替代钢材可取得减重50%的轻量化效果，树脂替代钢材可取得减重70%的轻量化效果。

　　2）成形性良好，容易实现部件整体化。容易进行期望的设计。此外由于部件数量下降，可减少制造工作量。

　　3）可与高刚性材料构成复合材料。由于与高刚性材料复合，弥补了树脂刚性低的缺点，可利用树脂复合材料实现轻量化效果。特别是CFRP，由于具有很高的刚性，预期可获得减重70%-80%的轻量化效果。因此可作为汽车结构材料得到正式应用。

　　3.3.2 CFRP及成形时间短的SMC工艺

　　CFRP是高强度、轻型材料，已经用作飞机材料。现在，波因公司的主力中型机B787所用材料的一半是CFRP。飞机用的CFRP中的碳纤维是用具有优良强度等性能的正规纤维束制造出来的。但根据材料特性和材料成本的要求，除了天然气、氢燃料罐等部分部件材料CFRP的碳纤维，其他汽车材料CFRP的碳纤维是用性能较差但成本很低的粗纤维制造出来的。

　　CFRP的原材料和制造方法有许多种，大致可分为三类：1）使用高压釜对片状CFRP进行加热硬化的聚酯胶片生产工艺；2）对液态树脂渗入的碳纤维织物进行加热硬化的树脂传递模塑成型工艺（RTM）；3）对短碳纤维树脂复合薄片进行压力成形和加热硬化的片状模压成型工艺（SMC）。材料强度由高到低的顺序以及成形时间由长到短的顺序都是：聚酯胶片工艺、RTM、SMC。

　　CFRP的原材料和制造方法的多样化，使CFRP在车轮部件有了广泛的用途。例如，成形时间短的SMC，用压力成形方法可以制作形状复杂的部件。卡车车顶、后挡板、后车门骨架等形状复杂的部件已经采用CFRP材料和SMC工艺制作。SMC工艺应用范围的扩大，促进了CFRP市场的扩展，预计到2025年CFRP的市场需求量将达到8.5万吨。

　　在技术方面，不仅SMC，各种CFRP成形工艺都有需要解决减少材料性能波动和缩短成形时间的问题。在经济性方面，CFRP的制造成本是钢材的10多倍，是铝材的3倍左右，这成为CFRP应用的最大障碍。

　　3.3.3 CFRTP的真正应用尚需时日

　　目前的情况是，SMC工艺由于成形时间仍然较长，所以还不能做为量产汽车部件的方法。目前使用较多的CFRP是环氧树脂等热硬化树脂。树脂硬化制作部件的最短时间也需要5min以上。为达到汽车生产一个工序一分钟作业时间的节奏，就必须增加CFRP的成形模具，导致投资增加。此外，CFRP部件制作的成材率很低，并且不能使用点焊等简单的二次加工方法。另外，CFRP的循环利用技术尚未建立。所以目前CFRP仅用于一部分赛车和高级车。

　　目前，用热可塑性树脂替代热硬化树脂的碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）受到人们的关注。CFRTP熔融后仅需冷却，在一分钟内即可完成成形，并容易进行点焊和表面装饰加工。现在已经开发出的CFRTP产品有，含有细碳纤维的粉末注塑成形品和短碳纤维、长碳纤维与热可塑树脂的压力成形品。这些CFRTP成形品的材料特性虽然不如CFRP，但根据其强度等特性可用于制作汽车外板和电装品等部件。日本正在推进采用CFRP和CFRTP制作车体结构和外板，可使部件重量减轻30%（400kg）。

　　目前，CFRTP还存在量产化技术和降低生产成本等必须解决的问题。并且，与其他材料不同，CFRTP具有材料特性的各向异性，因此在进行材料设计时，必须考虑到材料特性的各向异性。此外，热可塑性树脂黏度大，所以存在是否完全浸透到碳纤维中的问题。即使热可塑性树脂完全浸透到碳纤维中，还存在树脂是否完全包敷住碳纤维的问题。关于碳纤维的长度，碳纤维越长，越能发挥碳纤维的特性，但碳纤维越长越难使碳纤维均匀分布在树脂中，并且使成形加工变得困难。

　　关于CFRTP低成本化的问题，目前德国和日本的研究机构正在进行长纤维增强热塑性复合材料（LFT-D）工艺研究。LFT-D工艺是从粗纤维和树脂粉末的材料供给到利用CFRTP制作成最终产品的系列化生产工艺，实现了短时间成形和低成本化生产的目标，但该工艺的实用化尚需一些时间。

　　4异种材料接合技术是汽车用材多元化不可或缺的技术

　　汽车制造厂为了进行新一代汽车开发，现在已经对汽车不同部位新材料的应用问题进行研究。汽车制造厂的用材方针是最大限度地发挥材料特性，将“把现有材料特性用尽”作为汽车轻量化的方针。当“把现有材料特性用尽”仍不能获得满意的轻量化效果时，再研究新材料的正式应用。

　　另一方面，随着燃油效率法规的强化，对汽车轻量化的要求不断提高，将不断推进对铝材和CFRP的应用研究。铝材和CFRP的应用，形成汽车材料的多元化，虽然要经过一定时间，但这是不可逆转的发展趋势。

　　汽车材料多元化的推进过程中，异种材料接合技术是不可或缺的技术。通过异种材料接合在抑制成本升高的同时，还可以利用异种材料的特性。但是，由于不同材料的熔点、热膨胀率、氧化性的不同，异种材料接合部件的材料界面上容易产生裂纹、锈蚀，导致强度下降。因此要研发出基于各种材料优缺点的异种材料接合技术。

　　特别是，异种结构材料接合技术十分重要。仅用铆钉对铝材和钢板、金属和CFRP进行机械接合不能保证足够的强度，所以一般多用铆接与黏结剂并用的方法进行接合。但目前尚未建立对粘结接合的检查和评价方法。此外，异种材料接合后，接合材料界面的劣化过程也不是十分清楚。另外，接合材料的循环利用问题也是今后需要研究的方向。由于CFRTP不是热硬化材料，所以对CFRTP与金属等异种材料的粘结接合还处于研发阶段。

　　异种材料接合技术的进步及其可靠性的提高，将是汽车材料多元化、实现汽车轻量化的关键。