車用輕量化材料優缺點大比拼
眾所周知，汽車行業一直在探索新材料的開發與應用。為了提高車輛燃油效率和車輛性能，制造出輕量化車型，汽車業已經投入了大量的財力。然而對于制造商和供應商來說，這種探索是永無止境的。
如今，幾乎所有的汽車零部件中都有先進材料的身影。鋁、塑料、高強度鋼、鈦合金、碳纖維、聚合物復合材料等正在代替鑄鐵和普通鋼制成的部件。大多數汽車制造商正在考慮用高強度鋼作為車身面板和車架前端模塊的主體結構。目前，碳纖維復合材料已經應用在車身面板上，但北美、歐洲的制造商則和亞洲制造商考慮的有所不同，北美和歐洲的汽車制造商主要考慮在車身結構中使用碳纖維，而亞洲的制造商正在探索將碳纖維應用在內部結構中。盡管如此，在北美、歐洲和亞洲地區鋁、鎂和鈦合金被廣泛應用在小型車身部件、動力系統和底盤上。
鋼鐵
在車輛碰撞時，高強度鋼（AHSS）和超高強度鋼（UHSS）的應用可以更好地保護駕駛艙和乘客。根據可再生能源研究所的研究發現，使用高強度鋼可以減少25%的零件重量。因此，設備制造商和供應商使用高強度鋼和超高強度鋼來生產汽車的關鍵安全部件。這樣以來，在減輕重量的同時減少燃料消耗和二氧化碳排放。目前，超高強度鋼和高強度鋼已經被廣泛使用在白車身（BIW）上。在重量精度要求較高的領域，鋼的甚至使用率還高于鋁。例如，一輛寶馬車使用高強鋼（HSS）可以實現20%的減重，而每減少100kg（220磅）的重量就可以減10-15g/km 的二氧化碳排放量，經濟而且環保。
鋼鐵企業積極參與高強鋼的研究,這些探索給他們的節省了2%的成本。盡管每噸超高強度鋼比普通鋼成本高約250-300美元，這些材料主要用于制造關鍵零件或組件，也帶來了客觀的成本效益。另外，高強鋼還有一個優勢。因為已經存在完善的鋼材制造業基礎設施（焊接、沖壓機），制造商和供應商并不急于投資鋼鐵的替代品。
|
優點
|
缺點
|
|
材料成本低
|
超高強度鋼的接合、壓制、成型工藝仍存在不足，電流點焊可能會造成腐蝕。
|
|
強度、剛度高
|
仿真軟件不能全面測試高強度鋼或超高強度鋼的物理性能。
|
|
成形性好
|
|
|
設計和制造方面的完善基礎設施使得它在車輛使用中具有很高的成本效益。
|
鋁材
過去十年，在汽車零部件產業中，制造商對鋁的使用成指數爆炸增長。今天，由于消費者和行業整體強調燃油經濟和碳環保，鋁替代鋼成為好的選擇。據Ducker Worldwide的研究，制造商對鋁的使用將從2008年平均每車147kg增長到2025年每車249kg，節省81-92kg直接整備重量和35kg次整備重量。例如，福特F-150卡車用鋁片代替鋼板，從而重量減輕了318kg。
鋁和鋼在設計條件上有很大的不同。汽車制造商用鋁制作發動機、后軸、懸掛部件和外殼，并且推出了全鋁體模型。例如，第三代大型越野車比前兩代輕20%，鋁殼輕39%，令人印象十分深刻。賓利也使用鋁制造車身、發動機、副車架，車輪?？傊X的應用使新型汽車空間更大，更輕也更環保。
雖然合金作為結構材料已經在航空航天工業應用多年，制造商在鋁合金生產上仍然有困難。目前，點焊是工業上普遍的接合方法，鉚釘和粘合劑也被用于連接鋁片。隨著引進和改良連接技術，未來我們可能把鋼、復合材料甚至是塑料和鋁結合。
應用鋁的另一個問題是回收利用。一些整車制造商為了回收鋁制品，已經開始合作，并且建立了閉環的汽車生態循環系統。但是目前整個汽車生態循環系統仍需要提升回收自我汽車廢品的能力，而這件事需要很高的成本。
|
優點
|
缺點
|
|
材料成本低
|
超高強度鋼的接合、壓制、成型工藝仍存在不足，電流點焊可能會造成腐蝕。
|
|
強度、剛度高
|
仿真軟件不能全面測試高強度鋼或超高強度鋼的物理性能。
|
|
成形性好
|
|
|
設計和制造方面的完善基礎設施使得它在車輛使用中具有很高的成本效益。
|
碳纖維材料
盡管高速鋼和鋁有各有所長，但在減輕重量方面，碳纖維（CF）材料有更大的發展空間。而它的主要問題仍然是成本過高。
一方面，碳纖維在航空業中的份額一直在增加，（主要是減少燃料成本，增加貨運量和載客量），而在汽車行業中的主要用于車輛的外殼、防護罩、框架和內部面板。目前的制造廠商已經使用碳纖維來降低車重，提高車輛性能與效率，但是較高的材料成本和回收技術花費，使得難以進行汽車的量產。另一方面，材料的電阻和剛度也是一個缺點，使其在碰撞過程中更易變形而難以吸收能量。
|
優點
|
缺點
|
|
材料具有良好的強度質量比，可以比鋼材輕50%-60%的重量
|
相比較航空業完善的盈利體系,汽車業的還在建設中
|
|
在懸架/車身上加入碳纖維的技術還不成熟
|
|
|
對于碳纖維材料在碰撞下的性能仍然了解不充分，損壞零部件的檢測與維修技術還不成熟
|
其他先進材料（鈦合金，鎳基合金，金屬基復合材料）
通過研究先進的材料（如鈦合金，鎳基合金和金屬基復合材料）顯示，這些材料具有獨特的性能，而這些性能是其他材料（如鋁，鋼或復合材料）不具備的。這些性能這使得它們在成為發動機和傳動部件中的理想選擇。目前對這些材料（仍在粉末形式）大多數的研究限于實驗室中，但實現商業上的批量生產還是比較困難的。
未來材料--輕量化的天下
目前汽車制造業已經在車身結構中使用多種材料的混合物。加入這些材料要求制造商不得不長時間考慮這些輕量材料和原有材料的轉換。然而公司必須投資于新技術和機械，把這些材料有效地整合到現有的制造工藝和價值體系中。這對于公司來說是一把雙刃劍。一方面，隨著經濟的不確定性不斷增長，對新資本投資的增長也越來越大。另一方面，改進燃油的經濟性和控制排放保護環境也是行業的發展趨勢，要想滿足這些要求輕質材料則是必不可少的。
各種輕量材料性能對比以及目前主要三個技術困難如下表：
|
輕質材料
|
減重效果
|
阻礙廣泛應用的三個主要技術條件
|
|
碳纖維
|
50%-70%
|
缺少高效的轉化方法
|
|
設計模型和研究方法目前還不成熟
|
||
|
缺少合適的制造高容量的非環氧樹脂體系的方法
|
||
|
鎂
|
30%-70%
|
較低的成本效益、對環境不友好
|
|
較差的耐腐蝕性和延展性
|
||
|
性能的預測與改良性較差
|
||
|
鋁
|
30%-60%
|
和其他的材料的結合性較差
|
|
建模仿真和設計工具不完善
|
||
|
沒有可靠的高性能鑄件的加工技術
|
||
|
玻璃纖維
|
25%-30%
|
和其他的材料的結合性較差
|
|
建模仿真和設計工具不完善
|
||
|
沒有可靠的高性能鑄件的加工技術
|
||
|
先進復合材料
|
10%-30%
|
難以進行商業化生產熱
|
|
加工方法不成熟
|
||
|
熱加工方法不成熟
|
||
|
高強鋼
|
10%-30%
|
結構了解不充分
|
|
結合技術不完善
|
||
|
建模與仿真軟件不成熟
|
目前關于如何選用先進材料，汽車業也開始向航空業中取經。對于汽車專業人士來說，他們需要的較長的周期來學習碰撞仿真、材料失效機理、裝配技術以及工程和知識的復合設計。而且為了分析這些先進材料的優點，設備制造商也需要了解汽車預計維修費用以及評估汽車的生命周期。
盡管制造商在鋼材、鋁材等材料的研發與生產進行了大量的投資，但他們也必須與供應商的合作，大限度地利用這些輕量材料。目前情況下好的選擇是高強度鋼和鋁，但是尋找更優的輕量材料是永遠不會停止的。
更多信息請關注復合材料信息網m.lzzz.net
