隨著工業(yè)化和城市化進程的推進，全球對環(huán)境和資源保護的意識不斷增強。世界各國在發(fā)展經濟的同時，越來越注重生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展，綠色環(huán)保和節(jié)能減排成為發(fā)展主題。在此形勢下，作為能源消耗和排放大戶的汽車工業(yè)要想實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須降低燃油消耗，減少污染排放。

    目前，主要有3種途徑解決汽車的節(jié)能、環(huán)保與安全問題，一是發(fā)展新能源汽車，二是發(fā)展先進發(fā)動機技術，三是實現(xiàn)汽車的輕量化。新能源汽車是發(fā)展方向，但目前受基礎設施配套建設、價格和市場接受度等因素影響，進展緩慢。動力系統(tǒng)改進技術已經發(fā)展相當成熟，短期內進一步提升的空間不大。因此，汽車輕量化成為汽車工業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排目標的主攻方向。

    汽車輕量化是在保證強度和安全性的前提下，盡可能降低汽車整備質量，以提高汽車的動力性，實現(xiàn)節(jié)能減排。據統(tǒng)計，汽車每減輕10%質量，就會節(jié)省6%～8%的燃料，會使排放下降4%。汽車輕量化的實現(xiàn)需要材料技術、輕量化結構優(yōu)化設計技術、輕量化綠色制造技術3方面的進步，是材料、設計、加工成形技術等多方面的集成，其中材料的創(chuàng)新是基礎和核心。為減輕汽車自重，眾多汽車廠商多年來一直進行材料研發(fā)，“以鋁代鋼”、“以塑代鋼”的口號很早就提出，但目前汽車用主流材料仍舊是鋼，且在短期之內鋼的地位無法撼動。到底哪些新材料在汽車輕量化中應用，哪些因素制約了我國新材料的擴大應用？這些問題值得研究。

    一、汽車輕量化新材料的應用現(xiàn)狀

    新材料的應用是汽車實現(xiàn)輕量化的關鍵。為實現(xiàn)輕量化，世界各大汽車生產商和材料生產廠家一直致力于輕量化材料的研發(fā)，輕量化材料應用的多少已經成為衡量汽車生產技術和新材料開發(fā)水平的重要標準之一。早在20世紀70年代歐美等汽車生產商就開始了汽車輕量化嘗試，汽車發(fā)達國家投入了人力和財力支持汽車輕量化。目前，用于汽車輕量化的材料主要有低密度的輕質材料和高強度材料，前者包括以鋁、鎂、鈦合金為代表的金屬材料和塑料、纖維等高分子材料，后者主要指高強度鋼。鋁及合金主要用在汽車上的車輪、動力系和懸架系零部件，鎂及鎂合金大量用在殼體類零部件和支架類零部件，高強鋼主要用在汽車的結構件、安全件和加強件等，塑料等高分子材料逐漸在油箱、風扇葉片、翼子板等結構件上使用。

    2.應用領域逐步擴大

    以高強鋼、鋁合金、鎂合金、復合材料等為代表的輕量化材料具有良好的減重效果，應用領域不斷擴大，需求規(guī)模不斷增長。以汽車工業(yè)最常用的輕量化材料鋁合金為例，鋁合金具有密度小、比強度和比剛度高、循環(huán)利用性強、良好的導熱導電性能等優(yōu)勢，在氣缸體、殼體、轉向盤骨架等零部件上大量使用，是汽車輕量化重要的替代材料。加之鋁合金加工技術不斷發(fā)展成熟，通過對鋁合金適當?shù)募庸づc處理，鋁合金強度還可以大幅提升。盡管與超高強鋼相比有一定差距，但仍可以滿足汽車的很多應用，鋁合金應用范圍已經逐漸從車輪等零部件逐漸擴展到車身、車門和車蓋。目前，已經有福特、奧迪、捷豹等汽車生產商使用全鋁車身，國內奇瑞汽車等廠家也逐漸開始全鋁車身的嘗試。有研究預測，未來汽車用鋁規(guī)模將會進一步擴大，汽車的鋁化界限可以達到30%～50%。

    3.減重作用日益突出

    輕量化材料的使用，可以大大減輕汽車自重，提高汽車的燃油經濟性。和傳統(tǒng)汽車材料低碳鋼相比，輕量化材料較低碳鋼可以減輕15%～60%的重量，如高強鋼、鋁、鎂、玻璃纖維復合材料可分別減輕15%～25%、40%～50%、55%～60%、25%～35%的質量。為了實現(xiàn)輕量化，世界主要汽車廠商都相繼在主要車型上使用輕量化材料，減重效果顯著。如福特公司使用全鋁車身，并在懸架系統(tǒng)、車門、發(fā)動機罩、保險杠等部件也使用鋁合金的新款F-150車型，與現(xiàn)款車型相比，減重340kg，燃油經濟性提升20%；凱德拉克ATS整車使用高強和超高強鋼，前副車架和發(fā)動罩使用鋁合金，懸掛構件和發(fā)動機支架使用鎂合金，較鋼制件減重近50%。從車身構造到內部配置，多種輕量化材料的使用不僅減輕了車身質量，也提高了安全性和舒適性。

 

    二、我國汽車輕量化新材料應用存在的問題

    我國汽車輕量化材料在應用中主要存在以下3個問題：輕量化材料普及率不高、輕量化效果不顯著和后期的維護服務不到位。

    1.輕量化材料普及率不高

    使用輕量化材料已經在我國汽車廠商內部達成共識，但實際中輕量化材料使用率并不高。這體現(xiàn)在2個方面，一是輕質材料使用率偏低，如鋁合金、鎂合金、復合材料等輕質材料僅在高檔車上使用，且大都作為零部件，鋼仍然是主要的汽車用材料。數(shù)據顯示，我國鋼材在汽車整車的使用比例在60%～70%。未來3～5年，鋼板特別是高強鋼板的主流地位難以撼動。二是我國的高強鋼板應用比例遠不如國外。高強鋼的應用比例低表現(xiàn)為高強鋼的使用量和強度級別均低于國外，如國外汽車上高強鋼的使用量占汽車總量的比例達到70%，而國內只有40%左右。此外，盡管我國逐步實現(xiàn)了汽車用鋼的國產化，已經有寶鋼集團、武鋼集團、鞍鋼集團、本鋼集團、首鋼集團等鋼企具備生產汽車用高強鋼的能力，但是仍有部分高檔汽車面板及優(yōu)質鋼依賴進口，無法滿足市場需求。

    2.輕量化效果不顯著

    經過多年發(fā)展，我國汽車輕量化取得了一定的進步，但與國外先進國家相比，我國自主品牌汽車的輕量化水平整體不高。我國自主品牌轎車的自質量比發(fā)達國家重8%～10%，若在重量相當?shù)那闆r下，我國自主品牌轎車比國外同類車型的安全性差2～3個等級。我國商用車比國外同類產品重10%～15%，重型載貨車平均重20%以上。據測算，我國汽車與國外相比，每輛汽車平均消耗汽油或柴油2.5t/(車·年)，高于美國的1.6 t/(車·年)，歐洲的1.1 t/(車·年)，日本的1 t/(車·年)，導致我國單車年消耗高于歐美日同類產品，汽車的燃油經濟性不高。此外，我國汽車百公里平均油耗也高于國外，汽車輕量化效果與國外相比差距較大。

    3.后期的維護服務不到位

    輕量化材料在汽車上使用后，后期的保養(yǎng)與維修服務也很重要。和傳統(tǒng)鋼材料的后期維護服務相比，我國這方面的服務還不到位。如傳統(tǒng)鋼材料制車身受到撞擊變形后，可以通過鈑金技術進行修復，且汽車修理商都能提供相關的維修和養(yǎng)護服務，但是鋁制車身受到損壞后，鈑金修復技術難度較高，相關配套維修和養(yǎng)護服務也比較匱乏，大部分汽車修理商因技改成本高而無法提供后期維護服務。除了鋁合金，碳纖維等其他輕量化材料也存在缺乏后續(xù)配套服務等問題。

 

    三、制約我國汽車輕量化新材料應用的因素

    汽車輕量化材料的應用要求技術上可行和經濟上合理。因此，技術和成本成為了制約汽車輕量化新材料應用的最大問題，也是困擾我國新材料和汽車行業(yè)多年發(fā)展的難題。

    1.技術不過關

    汽車輕量化要求材料變輕、變薄，但強度不能減少甚至要提高，但材料強度提高后，加工難度也變大。如車用鋼板強度提高后就要求更高的沖壓工藝，以盡可能減少深沖過程中材料的裂紋和折皺。我國很多鋼廠在這方面不斷加大研發(fā)投入，但仍然無法克服鋼板強度和沖壓之間的矛盾；此外，我國熱成型高強度鋼生產線主要從國外引進，熱成型技術和應用基礎數(shù)據庫還未建立，熱沖壓成形技術與國外差距較大。鋁合金面臨合金改良和制造工藝靈活化等技術挑戰(zhàn)，車身成型技術、批量生產的高速連接技術等還沒有取得實質性突破；復合材料工業(yè)整體比較落后，碳纖維等高端材料核心技術掌握在日本東麗株式會社、東邦化學工業(yè)株式會社等國外少數(shù)企業(yè)手中，國內能生產高端碳纖維的企業(yè)較少。技術不過關制約了我國汽車輕量化新材料的應用，我國高強鋼、高端鋁用量較國際先進水平少一半。

    2.成本較高

除了技術瓶頸，使用輕量化材料帶來的成本增加也影響了其普及應用。一是研發(fā)成本較高，企業(yè)得投入大量人力、物力、財力進行新材料研發(fā)，周期長，風險高，投資回報率不確定，盡管材料企業(yè)和汽車企業(yè)都認同汽車使用輕量化材料的趨勢，但是實際中只有少數(shù)企業(yè)有實力從事輕量化新材料的研發(fā)。二是材料成本過高，這主要體現(xiàn)在鋁、鎂等合金材料以及復合材料上。和傳統(tǒng)的鑄鐵、鋼材相比，鋁合金、鎂合金、碳纖維的價格較高；和同為輕量化材料的高強鋼相比，輕質材料價格也不具有明顯優(yōu)勢。汽車通過使用這些輕質材料減重1kg，整車企業(yè)的成本會大大增加。如奧迪早在20世紀90年代就通過技術改良實現(xiàn)了鋁制車身，但目前為止，民用車上僅有奧迪和捷豹路虎2家車企使用全鋁車身。三是制造成本高。如鋁合金因生產技術不過關和工藝流程復雜，導致生產制造成本較高。汽車面板用鋁合金一旦發(fā)生磨損或變形，還需要全部更換。除了鋁合金，碳纖維也存在量產工藝不成熟、生產成本高的問題。此外，對于汽車企業(yè)而言，更換材料相應地更換生產線和設備，企業(yè)成本將大幅增加。

 

    四、我國推廣汽車輕量化新材料的措施建議

    高強鋼、鋁合金、鎂合金、復合材料等汽車輕量化材料特性不同，用途不同，存在一定程度的替代，但不能完全替代。高強鋼碰撞性能強，加工工藝成熟，成本優(yōu)勢明顯，但減重效果不如其他材料；鋁及鋁合金生產工藝比較成熟，但承載力、力學性能等與鋼相比仍有差距；鎂的密度低、質量輕，但造價高，全生命周期的時候碳排放較高；塑料制品質量輕、加工性能良好，但在回收處理過程中存在環(huán)境污染問題，限制了其使用范圍。因此，汽車輕量化新材料的選用是安全、性能、成本、環(huán)保等多因素權衡的結果，多材料是汽車材料使用的基本戰(zhàn)略。在汽車輕量化的大趨勢下，推動多種汽車輕量化新材料發(fā)展勢在必行。

    加強上下游多方合作，推動技術創(chuàng)新。支持上游材料企業(yè)與下游汽車生產商開展研發(fā)合作，推廣EVI模式，應用現(xiàn)代信息技術，豐富完善汽車材料產品設計、仿真模擬等技術，提供良好的材料產品解決方案，為下游汽車生產商不斷提供新材料和個性化服務。鼓勵材料企業(yè)根據汽車廠商實際需求，優(yōu)化材料結構和工藝選擇，生產輕量化、通用化、模塊化、環(huán)保化的汽車零部件，培養(yǎng)集研發(fā)、設計、制造、服務等為一體的大型材料供應商。推動汽車生產制造商積極開展與材料企業(yè)的多向合作，建立共同研發(fā)模式，汽車廠商及時反饋市場需求，參與新材料及新產品的開發(fā)推廣，形成新材料研發(fā)聯(lián)合體。

    強化產學研用合作，提高自主創(chuàng)新能力。加大基礎研究投入，鼓勵高校、科研院所等開展輕量化材料基礎和核心技術攻關，并加強與企業(yè)的研發(fā)合作，突破一批新技術和產業(yè)化關鍵技術，加快科研成果的產業(yè)轉化。支持企業(yè)引進國外先進技術進行消化吸收再利用，加強內部研發(fā)，推動企業(yè)成為應用技術的研發(fā)主體，同時鼓勵企業(yè)與高校、科研機構等共建重點實驗室、工程技術研究中心等，強化外部研發(fā)，提高創(chuàng)新活動效率。加強政策支持，通過新材料、技改專項等資金支持汽車輕量化新材料的研發(fā)，鼓勵金融機構加大對汽車輕量化新材料項目的信貸支持力度，營造有利于輕量化材料創(chuàng)新發(fā)展的氛圍。

    加大應用市場開拓，實現(xiàn)規(guī)?；a。把握汽車輕量化大趨勢，積極研發(fā)新產品，找準產品定位，優(yōu)化產品結構，刺激市場需求，搶占更多市場份額，帶動汽車輕量化材料的技術進步和規(guī)?；a，實現(xiàn)規(guī)模經濟，進而促使成本下降，進一步擴大市場需求。通過技術創(chuàng)新控制材料生產制造成本，注重材料的回收利用，提高材料利用率，完善汽車輕量化材料“材料研發(fā)-原材料生產-零部件制造-整車集成應用-回收再利用”的全產業(yè)鏈，推動汽車輕量化材料的綠色發(fā)展，拓寬下游應用市場。鼓勵材料企業(yè)在研發(fā)生產現(xiàn)有汽車輕量化材料的同時，延伸產業(yè)鏈，完善配套服務，提高后期維護服務能力，推動輕量化材料的產業(yè)化發(fā)展。