汽车轻量化难在哪儿？

  汽车轻量化是未来汽车产业发展的大趋势之一，也是一个循序渐进的过程。然而，业界呼吁了多年的汽车轻量化，尤其是轻量化材料的应用，到底难在哪儿？

  轻量化设计基本过关

  据国家统计局数据显示，2017年末，中国民用汽车保有量为2.09亿辆，是1978年的154倍。随之而来的能源消耗量也在不断增长。据业内统计估测，汽车整车重量若减少10%，就能节油6%-8%，油耗降低每百公里0.3升-0.6升，氧化碳排放降低5克-8克。据《中国汽车安全发展报告（2017）》显示，到2020年，中国商用车自重若能比2007年的水平平均降低20%-35%，则每年可节油2500万-3000万吨。从上述数据来看，节油降耗是汽车轻量化最主要的目的。

  “汽车轻量化技术主要涉及整体的结构设计、使用先进材料、工艺三方面。”清华大学汽车工程系周青教授这样告诉记者。由于轻量化是国内汽车自主设计的一部分，国内汽车轻量化现状与国内汽车设计现状同步。过去十几年，中国的汽车市场发展很快，汽车产量名列前茅。近四五年来，我国自主技术和自主品牌取得了很大进步。相对来说，国内厂商如上汽、吉利、长城、广汽、长安等在车身技术方面，已经能够自主设计。

  汽车技术分为车身、底盘、动力系统三大部分。它们都涉及轻量化的问题，而我们通常所说的轻量化主要针对的是车身。总体来说，与10年前相比，中国基本上解决了车身包括与之相关的轻量化的设计问题，但并未达到国际先进水平。

  成本是最大阻力

  2016年10月26日，中国汽车工程学会发布了《节能与新能源汽车技术路线图》，其中包括了汽车轻量化技术路线图，并指出高强钢、第三代汽车钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料技术等是重点发展的材料和技术。镁合金、碳纤维复合材料技术更是远期发展的重点材料技术。在现实中，它们也是热门的轻量化材料。

  高级跑车、赛车率先使用碳纤维复合材料，使得车身更加轻盈，但成本也十分高昂。在商用车中，宝马i8率先试水，车身采用碳纤维复合材料。国内奇瑞汽车开发出一款碳纤维电动汽车，采用碳纤维材料后的车身仅重218公斤，比金属车身的418公斤减重48%。北京汽车、上海汽车公司也在典型部件上采用碳纤维复合材料进行开发与应用。

  不过，对于碳纤维复合材料在汽车上的应用，业界出现了两种泾渭分明的观点。

  “在汽车轻量化解决方案中，碳纤维复合材料是一个重要选择方向和解决方案。”香港科技大学霍英东研究院先进材料研发部总监吕冬告诉记者，其竞争对手包括轻质类金属，如镁合金、铝合金的解决方案。碳纤维复合材料的优势是比强度和比钢度都比这些材料高。

  “我不看好碳纤维复合材料在汽车轻量化的前景，尤其是做车身材料。成本是最大的阻碍。”广州金发碳纤维新材料发展有限公司技术总监范欣愉这样告诉记者。

  汽车厂商采购的某种材料的动力和意愿是它能否降低整车成本。一位不愿透露姓名的业内人告诉记者，很多人都盯着车身的轻量化，但是一辆整车钢结构件的总成本不过数千元。其他材料若想替换低成本的钢结构材料非常困难。

  其实，越来越多的汽车内部件，如门板、隔板、后备箱的组件等都采用了碳纤维复合材料。吕冬指出，制造效率、成本和损坏后维修难是碳纤维复合材料应用在汽车上的几大障碍。“一般来说，碳纤维复合材料的成本比金属材料高出2倍-3倍以上，当然还取决于复合材料的用量。而且，汽车一旦被撞击，碳纤维复合材料要整体换掉，不像其他金属材料，通过敲打还可以恢复原形。这可能也是宝马i系列车又将碳纤维复合材料换回轻质金属材料的原因之一。”

  面临更多挑战

  在新材料的应用上，我国与国外处于同一起跑线上。从更先进的材料来看，如热成形钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料，国外在研究和应用上比我们早20年左右。

  “新材料的应用要经历一个漫长的过程。大家别总盯着车身轻量化，还有很多内饰、座椅，包括发动机周边各种零部件的轻量化都有一定的市场空间。”范欣愉如是建议。

  《节能与新能源汽车技术路线图》提出，到2025年，碳纤维使用量占车重2%，成本比2020年降低50%（2020年碳纤维成本比2015年降低50%）。碳纤维的成本降低50%是一个较大的挑战。因为我国掌握的碳纤维制造技术仍不完善。日本碳纤维的成本比国内更低。这是碳纤维原丝制备技术经过几十年迭代，才能不断地降低成本。未来我国在碳纤维原丝制备技术、烧结技术等方面仍需继续突破，以更高水平制造碳纤维的同时，降低能耗和废品率。只有碳纤维的成本不断降低，碳纤维复合材料的使用率才会提高。

  此外，我们还可以从碰撞的角度来思考碳纤维复合材料在汽车轻量化的应用前景。周青认为，新材料和新工艺（热成形钢、黏接）的另一个技术挑战是如何让它们的力学性能表征更精细，仿真数据如何更精确，从而使计算机仿真的结果更加可靠。在碰撞载荷下，我们需要获取大变形力学性能、断裂性能等的表征数据。这些数据的获取不能仅凭实验，而且在CAE（计算机辅助工程）进行辅助设计时，必须输入准确的数据，而这本身就是一项较大的挑战。

  举例来说，当发生碰撞时，碳纤维的裂纹是无穷多条的，最终会碎成粉末。碳纤维复合材料碰撞变形的吸能模式，是通过自身撞得粉碎来吸收能量，这与钢、铝、镁等材料通过结构大变形吸收能量截然不同。从这点来看，碳纤维复合材料几乎可以用于车上所有的结构。因为它不发生大变形时靠自身的钢度、大变形时靠断裂，当然它最大缺点就是成本高。

  碳纤维复合材料的最大挑战是断裂表征和预测仿真。这是一个更值得深入的学术挑战。如果在学术上无法取得突破，一线工程师只能更多地依赖实验和结构部件验证，也影响了它的开发效率。而学术研究可以帮助工程师减少实验验证的次数，从而提高开发效率。

  在轻量化趋势中，碳纤维复合材料可以与金属材料进行一定的复合。一方面，可以保证材料的强度，并达到减重的效果，另一方面，可减少碳纤维复合材料的成本。然而，这个方向也颇具挑战性，需要精细地了解它的设计和对结构变形和承载情况，以及在工艺上需要发展更多的方法，把两种不同的材料连接起来。比如，黏接工艺可以把金属和非金属材料连接起来。这是一种新技术，在汽车上已经开始应用，但并不普遍。

  镁合金应因需施材

  “由于中国镁的储量多，我们更关注镁在产业中的应用。”周青说。

  但目前来看，我国汽车采用镁合金与国际先进水平存在很大差距。《中国汽车安全发展报告（2017）》指出，北美地区每辆汽车的镁合金用量平均为3.5kg，欧洲先进水平则能达到14kg，而国产汽车每辆车的用量仅为1.5kg。

  在《节能与新能源汽车技术路线图》的汽车轻量化路线图中提出到2020年，单车用镁量达到15kg。从此目标来看，镁合金的应用还有很大空间。

  由于镁合金材料较脆，最大的挑战仍是断裂。它在碰撞载荷下会发生大变形。周青教授在实验中发现，镁合金比铝合金、高强钢脆，但没有碳纤维复合材料脆。他认为，由于镁合金的这一特性，它不太适合用于大变形的结构，如保险杠、门槛梁、B柱等。若用镁合金做车身的承载结构，特别是外部承载结构，它直接接触碰撞后，会带来我们很多的麻烦。

  然而，镁合金可以用于方向盘、座椅骨架、仪表盘的支撑结构等，这些部件在碰撞的时候，不需要承受大变形的压力，因而镁合金在上述部件的应用潜力很大。周青认为，车轮轮毂可以更多地采用铝合金，而镁合金在车轮轮毂的应用挑战较大。这带给我们的启示是，把材料的不同特性用在不同部件上，每种材料都能在汽车领域找到合适的应用机会。