近日，安徽蕪湖舉行“2023國際汽車新材料大會”，眾多行業(yè)專家聚焦汽車材料輕量化問題展開熱烈討論。我公司首席專家孟憲明博士日前接受《科技日報(bào)》采訪，就輕量化領(lǐng)域發(fā)展環(huán)境、政策支持、應(yīng)用前景等相關(guān)問題進(jìn)行回答，以下是采訪全文《發(fā)展輕量化材料，助汽車減重增效》。
發(fā)展輕量化材料，助汽車減重增效
目前，汽車輕量化主要通過材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化、工藝輕量化等途徑實(shí)現(xiàn)，三者間相互作用相互影響。相較于結(jié)構(gòu)和工藝的輕量化，材料輕量化帶來的效果更為立竿見影。然而取得材料輕量化的突破并非易事，要兼顧重量輕、強(qiáng)度高，同時(shí)還要控制成本。
◎科技日報(bào)記者 陳 曦
“春季不減肥，夏季徒傷悲”，最近一些人又開始了她們的“減肥大計(jì)”。對于很多愛美的女性而言減肥是一輩子的“事業(yè)”。但你或許不知道，和這些愛美女性一樣，汽車“瘦身”的腳步也從未停歇。通過使用一些輕量化新材料，在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高其動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染，已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。
日前在安徽蕪湖舉行的“2023國際汽車新材料大會”上，專家聚焦汽車材料輕量化等問題進(jìn)行了熱烈討論。
輕量化材料需兼顧重量、性能、成本
安全、低碳和環(huán)保已成為21世紀(jì)全球汽車行業(yè)發(fā)展的主流趨勢，我國“雙碳”政策的出臺加速了汽車低碳化發(fā)展的進(jìn)程。
“汽車整備質(zhì)量的降低能夠有效減少能耗，因此汽車輕量化在我國也受到了重視與發(fā)展。”中國汽車技術(shù)研究中心有限公司汽車工程研究院輕量化領(lǐng)域首席專家孟憲明博士介紹。特別是新能源汽車是我國汽車工業(yè)發(fā)展的重中之重。搭載了“三電”系統(tǒng)和大量智能化設(shè)備的新能源汽車，相較于傳統(tǒng)汽車對輕量化具有更為迫切且現(xiàn)實(shí)的需求。此外，在“里程焦慮”和“降本訴求”下，新能源汽車也對整車輕量化提出了更高要求。
目前，汽車輕量化主要通過材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化、工藝輕量化等途徑實(shí)現(xiàn)，三者間相互作用相互影響。“相較于結(jié)構(gòu)和工藝的輕量化，材料輕量化帶來的效果更為立竿見影，并且能夠極大地帶動輕量化工藝及結(jié)構(gòu)的發(fā)展。”孟憲明認(rèn)為。
然而取得材料輕量化的突破并非易事，要兼顧重量輕、強(qiáng)度高，同時(shí)還要控制成本。在“嚴(yán)要求”下，能進(jìn)入“決賽圈”的汽車輕量化材料依據(jù)材料類型可分為輕量化金屬材料與輕量化非金屬材料兩大類。
輕量化金屬材料以超高強(qiáng)鋼和輕合金材料為主。
其中超高強(qiáng)鋼材料能夠在保證零部件及整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，降低零部件厚度，達(dá)到汽車輕量化效果，被廣泛應(yīng)用在車身主承力件例如A/B/C立柱、縱梁以及門檻等關(guān)鍵承力部位。“但想要擴(kuò)大超高強(qiáng)鋼材料的應(yīng)用場景還需在回彈控制、氫致延遲斷裂特性等方面進(jìn)一步攻關(guān)，以提高其應(yīng)用性能和場景。”孟憲明說。
汽車輕合金材料主要以鋁合金和鎂合金為主。鋁合金具有強(qiáng)度高，易成形加工，且具有良好的耐腐蝕性和可回收性，是汽車制造業(yè)性價(jià)比最高的輕量化材料之一，廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)制造、輪轂、副車架以及次承力結(jié)構(gòu)件。不過缺點(diǎn)是成型過程中存在較高的廢品率，并且鋁合金原材料價(jià)格較高，連接工藝門檻較高。鎂合金作為第二大車用輕合金材料，比鋁合金具有更低的密度和更優(yōu)異的輕量化表現(xiàn)，目前主要應(yīng)用于輪轂輪輞、儀表板等部位，但其進(jìn)一步的大范圍應(yīng)用仍需解決腐蝕耐候問題。
輕量化非金屬材料主要以高性能塑料和復(fù)合材料為主，在汽車上主要分布在內(nèi)飾件及部分外飾覆蓋件。
高性能塑料主要以PP、PA6、PA66、PU等工程塑料和共混塑料為主，廣泛應(yīng)用在中控臺、儀表盤以及門護(hù)板等內(nèi)飾區(qū)域，這類材料由于質(zhì)量占比較少，因此輕量化空間較小，更多的是通過改性設(shè)計(jì)提升其觸感、VOC、抗菌等功能特性。
車用復(fù)合材料目前主要以玻纖和碳纖維復(fù)合材料為主，在涉及行人保護(hù)的車身覆蓋件以及尾門等部位可以代替原有鋼質(zhì)覆蓋件。
“碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量高于傳統(tǒng)金屬材料3—5倍，是最理想的輕量化材料之一，在車身結(jié)構(gòu)加強(qiáng)及次承力零件輕量化領(lǐng)域有望得到廣泛應(yīng)用。”孟憲明介紹，但由于碳纖維原絲成本高，成型工藝不成熟，目前依舊難以在汽車行業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用。
發(fā)展過程中機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存
為了推動汽車輕量化材料的發(fā)展，我國也相繼出臺了各種相關(guān)措施予以支持。
2020年國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》中提到，要求加強(qiáng)新材料技術(shù)的布局，大力支持碳化硅功率器件、輕量化材料、低成本稀土永磁材料等研發(fā)，以支持新能源汽車的發(fā)展；2021年6月工信部發(fā)布的《汽車產(chǎn)品生產(chǎn)者責(zé)任延伸試點(diǎn)實(shí)施方案》強(qiáng)調(diào)，要加強(qiáng)綠色產(chǎn)品研發(fā)，增加低油耗、低排放及新能源汽車生產(chǎn)比例，加快推進(jìn)整車及零部件輕量化技術(shù)研究與應(yīng)用。
除了國家層面出臺的政策外，全國各省市也相繼出臺了相關(guān)政策促進(jìn)汽車輕量化材料發(fā)展。
2022年山西省工業(yè)和信息化廳發(fā)布了《山西省有色金屬企業(yè)改造提升2022年行動計(jì)劃》，2021年黑龍江省人民政府發(fā)布了《黑龍江省中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，江蘇省工業(yè)和信息化廳發(fā)布了《江蘇省“十三五”汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，天津市工業(yè)和信息化局發(fā)布了《天津市制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，均提出了要加快發(fā)展輕量化材料。
在各項(xiàng)政策的加持下，我國在汽車輕量化材料方面取得了很大的進(jìn)步，特別是在新能源汽車賽道，我國和歐美國家站在了同一起跑線上。
“不過我國汽車輕量化材料在生產(chǎn)制造工藝技術(shù)及其裝備等方面，仍與國際先進(jìn)水平有一定的差距。”孟憲明介紹，目前高端輕量化材料生產(chǎn)技術(shù)被美國、歐盟、日本等掌控。以纖維復(fù)合材料為例，我國僅中復(fù)神鷹、江蘇恒神等企業(yè)能生產(chǎn)較高水平的碳纖維，但與日本東麗、帝人以及美國赫氏等國際企業(yè)相比，產(chǎn)品性能差距明顯。
我國輕量化材料應(yīng)用與評價(jià)體系目前也不夠完善。輕量化是一個(gè)多學(xué)科多技術(shù)的交叉領(lǐng)域，想要形成完善的標(biāo)準(zhǔn)、評價(jià)體系用來指導(dǎo)輕量化過程，是一項(xiàng)具有巨大挑戰(zhàn)的工作，目前在全球范圍內(nèi)均未形成成熟體系，我國在該體系建設(shè)方面相較于汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家稍有落后。
此外，我國輕量化材料產(chǎn)業(yè)鏈成熟度也有不足。一方面，由于技術(shù)不成熟，導(dǎo)致輕量化新材料研發(fā)、制造和加工成本高；另一方面，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用周期長，人員、設(shè)備等配套不完善，進(jìn)一步限制了輕量化新材料的應(yīng)用。
以結(jié)構(gòu)、工藝創(chuàng)新共同推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用
“雙碳”目標(biāo)的確定，給新能源和智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展帶來新的機(jī)遇，汽車產(chǎn)品競爭進(jìn)入新階段，整車輕量化是必爭之地，未來將實(shí)現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)、工藝、性能四方面協(xié)同發(fā)展。
“新材料研發(fā)、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、低碳短流程新工藝實(shí)現(xiàn)、性能評價(jià)以及表征技術(shù)的共同進(jìn)步，才能將合適的材料應(yīng)用于整車合適的位置，用合適的工藝來實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能，共同推進(jìn)汽車輕量化材料大范圍產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。”孟憲明說。
與此同時(shí)，加快生產(chǎn)制造設(shè)備國產(chǎn)化與提升產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，將有力促進(jìn)汽車輕量化材料的快速發(fā)展。孟憲明介紹，中國汽車技術(shù)研究中心有限公司在汽車輕量化領(lǐng)域圍繞一體式壓鑄、一體式?jīng)_壓成型、復(fù)材RTM成型以及多材料混合車身等先進(jìn)技術(shù)開展了研究與創(chuàng)新，并形成了多項(xiàng)成果，將持續(xù)為我國汽車行業(yè)輕量化技術(shù)進(jìn)步提供助力。
此外，隨著數(shù)字時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)庫建設(shè)與數(shù)據(jù)共享生態(tài)在汽車輕量化材料創(chuàng)新方面的重要性日益凸顯。孟憲明表示：“數(shù)據(jù)庫作為新材料研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝開發(fā)、生產(chǎn)過程管控等汽車產(chǎn)品全生命周期中最重要的支撐，是現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展的基石之一，建立打通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—性能開發(fā)—工藝實(shí)現(xiàn)—生產(chǎn)制造用多材料混合車身數(shù)據(jù)庫，形成全行業(yè)數(shù)據(jù)庫共享生態(tài)，能夠有效提升我國汽車產(chǎn)品質(zhì)量，加快汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”