先进材料在汽车行业的应用
1 前言
能源和环境问题是当今人类社会面临的巨大挑战。为实现人类社会的可持续发展, 对新一代汽车产品在安全、环保和节能方面提出了更为严格的要求。世界铝业协会的报告指出, 汽车质量每减少10%,燃油消耗可降低 6 % ~ 8 %。因此, 汽车轻量化对于节约能源、减少排放、实现可持续发展战略具有十分积极的意义。新材料的应用是实现汽车轻量化的主要途径之一。目前可用来减轻汽车自重的材料有两大类:一类是轻质材料,如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料等;另一类是高强度材料,如高强度钢和高强度不锈钢。
2 先进材料
2.1 碳纤维
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。
在2012年9月份在宁波召开的高新技术成果交易洽谈会上，一辆碳纤维小汽车赚足了眼球，该车外壳采用碳纤维复合材料，使得其外壳结实而轻巧。中科院宁波材料所的赵晓光向介绍说，这辆车抛弃了传统的钢结构，大量采用弹纤维材料制成，比普通钢材的汽车重量能减少60%。在同样用油情况下，这辆车每小时可以多开５０公里。
日本东丽开发出在车辆骨架等部分采用碳纤维增强树脂(CFRP)大幅减轻车重的电动汽车(EV)概念车“TEEWAVE AR1”。该车各部件在制造时非常注重实用化。此次开发的是双座敞篷式电动车，CFRP使用了约160kg，由此在确保与该型号普通车辆同等以上的刚性和碰撞安全性的同时，将钢板用量减少了约550kg。外径尺寸为长3975mm×宽1766mm×高1154mm，车辆重量为846kg(包括220kg的充电电池)。
2.2 铝合金
自1990年以来, 铝合金在轿车上的应用翻了一番,在轻型车中的用量则增长了 2倍；目前每辆轿车的铝合金平均用量为 121kg ，约占整车质量的10 %。而所谓/铝密集型汽车中的铝合金比例更高, 如福特 P2000轿车用量为 333kg，达到了37 %；奥迪A8则达到了创纪录的546kg。2
要制造一辆普通中型汽车必须耗去725公斤的钢和铸铁，还要再加上350公斤的冲压钢板。相比之下，铝合金在一款欧洲汽车内的所占重量，则是从1990年的50增加到2005年的131.5公斤（多数仍用于发动机内部件与气缸缸体），而且预计到了2010年还会再增加25公斤。跟制造钢原料的铁相比，铝的重量不仅减轻了一半，其抗腐蚀能力也更优于钢，种种特质也使得铝更加受到汽车工程师们的青睐。
随着快速凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、铝基复合材料和泡沫铝材等新材料的开发与应用, 未来铝在汽车中的应用范围将进一步扩大, 并将呈现铸件、型材、板材并举的局面。预计铝将会成为仅次于钢的第二大汽车材料。
2.3 镁合金
金属镁和镁合金具有质量轻、强度高、导热性能好、吸收振动和噪声、易于回收、对环境污染小等优点，在汽车等交通工具制造、机械电子、航空航天等领域具有重要的应用价值，被誉为“21世纪的绿色环保材料”。
镁合金以其显著的减重效果、良好的铸造和尺寸稳定性、优良的抗震性及可回收再生等特性，已成为
121 碳纤维汽车 榔头猛敲不变形．中国宁波网[2012-09-24] 邓建新，宋豫川，等.网络化制造平台中服务调度机制研究[ J] .计算机工程与应用，2004 汽车制造业最具潜力的结构材料。数据显示，无论是传统燃油汽车，还是新能源汽车，汽车自重减轻会带来很大的节油减排的效果，汽车自重减轻10%，其燃油效率即可提高15%。镁合金这一最轻金属结构材料的优势可以充分发挥出来。
在我国的汽车生产上，镁合金主要应用于变速箱体及壳盖、离合器外壳及壳盖、泵体、方向盘、气缸盖罩、汽车轮毂、仪表盘、汽车座椅架和防护杠等零件。在一汽大众公司引进的奥迪A6高档轿车中，整车采用了48公斤左右的镁合金零部件。一汽集团的红旗、捷达、宝来轿车为提高产品的技术含量和竞争力，正逐步使用镁合金材料的零部件。3
而在2012年年初，我国工业和信息化部发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中明确提出，加快镁合金制备及深加工技术开发，推进其在汽车零部件和轨道列车等领域的应用。预计到2015年，中国将形成15万吨高强镁合金压铸及型材和板材的生产能力。
2.4 新型塑料
在2012年北京国际汽车展上正式亮相的长城汽车“哈弗E”概念车，最大的特点是7个车窗组件均采用拜耳材料科技高性能模克隆聚碳酸酯制成，并配有大尺寸全景天窗。使用模克隆聚碳酸酯取代玻璃能够减重达50%。同时，重量的减轻能够降低汽车的重心，提高驾驶性能。这是中国汽车制造商首次如此大范围应用聚碳酸酯车窗来减少汽车重量。
日本帝人化成在CHINAPLAS2012展示了一辆名为CONCH的环保型电动概念车。车窗使用帝人Panlite聚碳酸酯树脂材料代替玻璃，抗冲击力强，是玻璃的200倍以上，轻度仅玻璃的一半，不会因高热变形。座椅使用帝人的高耐热性生物塑料Biofront等材料，突显环保理念。4
3 结语
随着人们生活水平的提高，汽车成为人们不可或缺的代步工具。由于汽车产量的逐年提高，人们消耗能源的速度也越来越快。各种先进材料在汽车轻量化中扮演着越来越重要角色，但汽车的轻量化是一个复杂的系统工程。需要在不降低汽车安全性的前提下进行轻量化，一味地降低汽车重量而不关心汽车安全性将会导致难以挽回的损失。
参考文献
1 2碳纤维汽车 榔头猛敲不变形．中国宁波网[2012-09-24] 邓建新，宋豫川，等.网络化制造平台中服务调度机制研究[ J] .计算机工程与应用，2004 3 牛强，镁合金材料在汽车领域应用前景广泛，中国高新技术产业导报[2012-5-14] 4 新材料百花齐放 汽车塑料时代来临了吗，慧聪网[2012-07-20]
34牛强，镁合金材料在汽车领域应用前景广泛，中国高新技术产业导报[2012-5-14] 新材料百花齐放 汽车塑料时代来临了吗，慧聪网[2012-07-20]
