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汽车轻量化材料迎接新挑战

日期:2016-08-05 16:32
  “2013年是汽车关键轻量化技术开发与整车的集成应用项目执行期的最后1年,一些汽车轻量化的关键技术有望进行推广应用。”日前,国家汽车轻量化技术创新战略联盟,召开了国家“十二五”科技支撑计划“汽车关键轻量化技术开发与整车的集成应用”项目推进会。与会人士透露,目前,我国已基本突破车身轻量化设计技术与评价方法、超高强度钢零件冲压热成形技术、高强度钢零件先进成形技术、纤维增强塑料模块化设计与应用技术、形变铝合金零件开发和以整车减重为目标的多种轻量化技术集成应用等汽车轻量化关键技术。
    新型材料不断涌现
    国家汽车轻量化技术创新战略联盟副秘书长王智文认为,汽车并不是车越重越安全。即使汽车上使用很轻的材料,如果采取高强度的加工工艺,也能达到弹性非常好的效果,也就越安全。近几十年,汽车用钢板越来越薄,钢材强度和耐腐蚀性能也大幅增强。汽车的车身都是由不同强度的钢板拼焊在一起的,不同强度等级的钢板用于受力环境不同的位置。出于安全性考虑,一些受力条件比较苛刻,又不能使用粗厚钢板的位置(如防撞梁和一些加强部位)大都使用高强度的钢材。
    但材料强度提高后,也带来了一些问题,主要就是加工难度变大。一般轿车都是采用冲压的方法制造,即用模具挤压材料成型。车用钢板强度增强就对冲压工艺提出了更高的要求,而且现在深冲部件很多,材料容易出现裂纹和折皱。为了避免上述情况发生,厂商都要研究冲压时钢板的变形情况以防止冲压时钢板发生撕裂。但钢板强度越好越难冲压的矛盾始终存在。
    为了从根本上解决高强度钢的冲压问题,一种新型钢材被应用于汽车车身的生产。这种钢材的基质是比较柔软、韧性好的铁素体,其中镶嵌了硬度好的马氏体,在冲压时比较容易成型,成型后又具有相当的强度。因此,这种新型汽车用钢将会使汽车更加安全。
    目前,车用钢板的厚度已经降到了0.6mm。分析师罗百辉表示,这可能已经到了钢板厚度的极限,钢板再薄就算其自身强度再高,也失去了很多材料本身的结构稳定性。现在车用钢板受到新材料的挑战越来越大。铁的原子量决定了其密度无法改变,通过减薄来减重的道路似乎也走到了尽头。
    据了解,国家汽车轻量化技术创新战略联盟正在与长安汽车集团合作,共同研发和推广“以铝代钢”的引擎盖。王智文介绍,这项研究是出于在发生事故时保护行人安全的考量。因为在引擎盖等部分应用铝合金可以减轻撞击对人身造成的二次伤害。铝板的重量虽然大约为钢板的1/3,但其可吸收的碰撞能量却是钢板的两倍。铝合金在遭遇撞击时的安全系数更高,因为其材质有非常好的吸能作用。现在铝合金正逐渐在高端车上被广泛采用,全铝的SUV已经出现,用铝做车头结构的高端车也正在被业内所效仿。
    对于一些钢铁企业而言,汽车用钢占到目前产品销量的1/3左右。为保证其汽车用钢的市场,应对新材料的冲击,许多钢铁企业正积极和汽车企业合作开发新一代轻量化高强度钢,期望能够与铝合金、塑料、碳纤维复合材料相抗衡。
    复合材料仍需时日
    据美国化学工业学会的资料显示,目前汽车塑料零部件的重量总和还不及汽车总重量的1/10,因此,可以扩展应用的空间还非常广阔。复合材料唯一的缺点就是阻燃性差,但加入阻燃材料后能得到改善。近年来,为了提升市场竞争优势,各车企纷纷研发并上马采用了轻量化设计的车型。宝马将于今年秋季量产BMWi3纯电动汽车,这款汽车的最大特点是,外壳材料为塑料、底盘材料为铝合金,与传统同类车型相比,实现减重250千克~350千克。
    本土车企中,长城汽车股份有限公司和奇瑞汽车股份有限公司是在这一研究领域走得最远的两家车企。奇瑞的A3CC双门跑车前翼子板采用Noryl GTX树脂制成。在2012年北京车展上,长城展出的哈弗E概念车的7个车窗组件,均采用拜耳模克隆聚碳酸酯制成,并配有大尺寸全景天窗。这是我国本土汽车制造商首次如此大范围应用聚碳酸酯车窗。此外,除了家轿市场,卡车的轻量化也早已被提上议程。北汽福田已将其中型和重型卡车的保险杠从钢材改为塑料材质,并在部分汽车零部件中启用了玻纤增强塑料,还把部分钢制发动机部件也更换为塑料部件。
    但是,尽管目前国外整车企业在轻量化上已经日趋成熟,而我国本土车企还处于学习或者是追赶的阶段。“这是因为国内复合材料工业还比较落后,尤其是高端材料完全被国外的一些化学厂商所垄断控制,他们掌握材料的设计技术、分析技术和零部件的设计技术。由于高端材料例如高强度碳纤维材料,长期被国外技术垄断导致产品成本居高不下,一些企业只能放弃高端材料在汽车上的使用。”中国不饱和聚酯树脂行业协会副秘书长赵鸿汉说。
    在不久前举行的第二届国际汽车轻量化创新材料与成型技术应用高峰论坛的间隙,海源机械高级工程师蒋鼎丰也曾经向媒体表示,其公司正在调研碳纤维汽车零部件整套装备市场。“该装备正式上市的时间还说不准,我们在技术上还需要做一些投入,还要找到市场的切入点,个人估计在2017、2018年出来。”他称,世界上暂时还很少有企业能够大批量生产碳纤维汽车零部件装备,“宝马也是刚刚开发”。此外,他表示,只有碳纤维材料能够将汽车重量减轻50%~60%,而目前的材料只能将汽车重量减轻25%左右。

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