編譯 博衍

為了滿足燃油效率的要求，汽車制造商將采用碳纖維、鋁材和先進鋼鐵材料制造下一代汽車。

奧巴馬政府曾對在美銷售的汽車制定較為嚴格的燃油經(jīng)濟標(biāo)準，之后汽車制造商就一直通過技術(shù)創(chuàng)新來提高效率。一些著名的改進技術(shù)包括燃油噴射、三缸和四缸發(fā)動機、渦輪增壓器以及停車/啟動技術(shù)——當(dāng)車輛在停車燈或停車標(biāo)志處空轉(zhuǎn)時可關(guān)閉發(fā)動機，而當(dāng)油門踏板被踩下時則能夠自動重啟。但這些改進技術(shù)能做的也就這么多了。

燃料效率真正的敵人是重量。正因如此，制造商一直在認真研究用于制造車架、引擎蓋和其他部件的材料——在傳統(tǒng)上，這些部件采用鋼材制成。一些企業(yè)轉(zhuǎn)而使用先進材料，如鋁材和碳纖維，還有一些則采用新一代輕質(zhì)高強度鋼。

減重

鋁材和碳纖維的特性對汽車制造商極具吸引力：這些材料不僅只有鋼材重量的1/3，甚至1/5，碳纖維的強度更是鋼材的10倍。但是，鋁材的生產(chǎn)成本是鋼材的3倍，而且汽車制造商還必須花費數(shù)億美元來整合新的焊接生產(chǎn)技術(shù)。

碳纖維的價格是鋁材的3～5倍，部分原因是生產(chǎn)碳纖維的工廠極少。為了解決這一問題，寶馬公司在2010年至2017年投入巨資，與西格里汽車碳纖維公司共同成立了一家合資企業(yè)，在美國華盛頓州摩西湖建造了一家碳纖維工廠。該工廠憑借一己之力，將碳纖維的全球產(chǎn)量提高了50%。當(dāng)前，這種纖維材料的成本尚未公開，但西格里發(fā)言人卡塔琳娜·施拉德（Katharina Schraidt）表示：“我們的目標(biāo)是到2020年把碳纖維的價格降至鋁材的價格水平?！?/p>

這家合資公司生產(chǎn)的碳纖維被運往德國瓦克爾斯多爾夫，并在那里鍛壓成纖維排列各異的層壓材料。之后，這些層壓材料被制造成車骨架結(jié)構(gòu)部件，由機器人黏合或焊接至鋁質(zhì)底盤。整車生產(chǎn)大約在20個小時之內(nèi)完成，為傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝所需時間的一半左右。寶馬目前有兩款車型采用碳纖維制造：一款是產(chǎn)自德國蘭茨胡特、售價13萬美元的寶馬i8；另一款是產(chǎn)自萊比錫、售價4.4萬美元的i3。

改良

采用碳纖維生產(chǎn)一些高檔車型意義重大，但對于售價1.5萬～4萬美元、細分市場銷量最大的家用汽車來說，其成本太高了。盡管一些制造商正在使用鋁材生產(chǎn)引擎蓋、后部行李箱等，但汽車的其余部件通常仍由鋼材制成。

由于鋼鐵成本較低，而且有現(xiàn)成的生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施，汽車制造商已經(jīng)投入巨資開發(fā)更輕質(zhì)的合金。2011年，由行業(yè)支持的世界汽車鋼聯(lián)盟（WorldAutoSteel）推出了被稱為“未來鋼制汽車”的概念車型，這款車是由世界汽車鋼聯(lián)盟與美國能源部聯(lián)合開展的一個為期三年的項目開發(fā)的。采用新的制造技術(shù)和先進的鋼復(fù)合材料生產(chǎn)的車輛比目前的鋼鐵車輕39%。

新一代先進高強度鋼（AHSS）結(jié)合了第一代鋼的堅硬和易于成形性以及第二代鋼更高合金化和可成形性更佳的優(yōu)點。先進高強度鋼的優(yōu)異性能源于對各種因素的合理控制，如金屬冷卻時間、特意添加至合金中的雜質(zhì)等。為了降低腐蝕風(fēng)險，鋼鐵在生產(chǎn)過程中會被浸入到熔融的鋅液中。

寶馬i3，左邊為這款車的內(nèi)部圖，注意底部邊緣未遮住的碳纖維

正在德國萊比錫工廠生產(chǎn)的寶馬i3碳纖維車架和鋁質(zhì)底盤

科羅拉多礦業(yè)學(xué)院先進鋼鐵加工和產(chǎn)品研究中心負責(zé)人約翰·斯皮爾（John G.Speer）介紹說，最新一代的鋼鐵材料微結(jié)構(gòu)在眾多市場和應(yīng)用領(lǐng)域均有用武之地。但他表示，汽車業(yè)之所以走在前列，是因為它們能夠大幅提高燃油經(jīng)濟性。

這項工作最近取得了新的進展——在進行實際測試之前，可以使用超級計算來修正原有的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。在“未來鋼制汽車”計劃中，美國能源部的科學(xué)家將對抗拉強度、雜質(zhì)和冷卻溫度的單獨模擬合并為一個超級計算機程序。密歇根州紹斯菲爾德鋼鐵市場發(fā)展研究院（SMDI，一家由業(yè)內(nèi)公司資助的非營利組織）副院長喬迪·霍爾（Jody Hall）介紹說，在過去，這些模擬工作需要花費兩個月的時間，而現(xiàn)在只需兩天。

霍爾表示，在SMDI看來，“未來鋼制汽車”計劃已經(jīng)取得了巨大成功。她說：“在我們推廣這款概念車的三年中，馬自達汽車公司已經(jīng)將部分工作納入了他們最新的SUV車型CX-9的設(shè)計中?！?/p>

事實上，在2018年華盛頓車展上，幾乎每一輛新設(shè)計的汽車都采用了第三代鋼，有的還使用了鋁材和其他先進材料。2015年，福特汽車F-150卡車的車架是鋼，車身換成了鋁，從而減輕了450磅（約204千克）的重量。道奇汽車新推出的Ram1500采用高強度鋼作為主材，車架中增加了先進高強度鋼的用量，引擎蓋、后擋板隔板和兩根大梁則采用鋁材，最終將車身重量減輕了225磅（約102千克）?！斑@些變化除了可以提高燃油效率，還有助于提高剛度，滿足耐久性要求，并在碰撞事故中吸收能量?！盧am 1500總工程師邁克·雷蒙德（Mike Raymond）表示。如今，在輕型卡車領(lǐng)域，Ram是最具重量效率（由單位面積的質(zhì)量決定）的卡車。

2019年的Ram1500卡車由不同材料制成，實現(xiàn)了重量和強度的平衡

美國能源部第三代先進高強度鋼目標(biāo)

減輕車輛重量這一趨勢似乎注定要延續(xù)下去。盡管寶馬公司一直在努力，但在更多的工廠加入摩西湖工廠之前，碳纖維很可能將繼續(xù)成為奢侈品。由于鋁材成本高昂，且焊接要求復(fù)雜，汽車制造商會盡可能減少其用量。不過，鋼鐵的前景依然光明。美國能源部將繼續(xù)支持生產(chǎn)質(zhì)量更輕、強度更高的鋼材項目，而且更多的制造商正加入SMDI，協(xié)力開發(fā)和利用這類鋼材。鋼鐵仍然是一種經(jīng)久不衰的工業(yè)材料，而且通過技術(shù)創(chuàng)新，這種材料還將繼續(xù)得到改進。

資料來源 Physics Today