楊振環(huán)　李秋魁　賀麗麗　張浩悅　晉飛

摘 要：在碳達峰碳中和的背景下，汽車輕量化具有極其重要的意義。文章從汽車輕量化的技術(shù)路線著手，對非金屬材料在汽車輕量化中的主要應(yīng)用方向進行了梳理，主要包括：以塑代鋼、以塑代塑、薄壁化、微發(fā)泡。對每個技術(shù)方向例舉相關(guān)使用案例并進行了粗略分析，給出了現(xiàn)有技術(shù)汽車輕量化方向以及未來汽車輕量化趨勢， 最后對非金屬在汽車輕量化的方向進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 輕量化 非金屬材料 以塑代鋼 復(fù)合材料

1 前言

在國務(wù)院關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見中，中國將力爭在2030年前實現(xiàn)二氧化碳的排放達到峰值，在2060年實現(xiàn)碳中和，而汽車產(chǎn)業(yè)是推動實現(xiàn)碳達峰碳中和的重要領(lǐng)域[1]。中國汽車工程學(xué)會主導(dǎo)修訂的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》圍繞著產(chǎn)業(yè)總體大技術(shù)發(fā)展方向制定了“1+9”技術(shù)路線圖，主要圍繞著節(jié)能汽車、純電動與插電混動、氫燃料電池、智能網(wǎng)聯(lián)、動力電池、輕量化、智能制造等多個分支。對于輕量化系數(shù)總體目標，要求2035年燃油乘用車輕量化系數(shù)降低25%，純電動乘用車輕量化系數(shù)分別降低35%[2]。對于新能源汽車來說，輕量化最重要的意義是提升續(xù)航里程，減少電池成本。由于電池增重較大的原因（增重約200kg），新能源汽車整車重量普遍高于同級別燃油車，當前消費者對純電動車始終有續(xù)航焦慮，所以對于輕量化系數(shù)優(yōu)化的需求更加強烈。根據(jù)相關(guān)文獻，汽車每減重10%，可節(jié)省燃油6%～8%，純電動汽車重量每減少100Kg，續(xù)航里程可提升10%左右[3]。除此之外，更輕的整車質(zhì)量，可帶來更好的制動性能、更佳的加速性能以及更大最大時速等動態(tài)參數(shù)，車輛減輕后，可以選用更小的電池，進一步擴大其優(yōu)勢。

2 汽車輕量化方案

根據(jù)技術(shù)路線圖2.0，汽車輕量化主要分為結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝優(yōu)化、材料優(yōu)化三個維度，如圖1所示。結(jié)構(gòu)輕量化，根據(jù)設(shè)計變量及優(yōu)化問題類型的不同，主要可分為拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化四種。在21世紀后，隨著CAE技術(shù)的成熟， CAE技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于汽車零部件及整車的設(shè)計，基于CAE分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)后廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)[4]。

工藝輕量化，是通過工藝實現(xiàn)材料性能的提升、形狀和形貌的優(yōu)化等。為使高強度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復(fù)合材料等新材料實現(xiàn)汽車輕量化，需要有相應(yīng)的工藝來進行匹配。由特斯拉最先量產(chǎn)使用，目前各主機廠都在推廣的一體化壓鑄就是典型的結(jié)構(gòu)輕量化與鋁合金工藝輕量化案例。其他工藝輕量化主要有：不等厚度軋制板，低壓鑄造成型，超高強度鋼熱沖壓成型，輥壓成型等。另一個方面，多種材料復(fù)合車身對車身連接技術(shù)帶來新的挑戰(zhàn)，為解決新能源汽車輕量化車身連接的主要技術(shù)路徑有：MIG/MAG焊、自適應(yīng)電阻點焊、激光焊、激光電弧復(fù)合焊技術(shù)、攪拌摩擦焊、鎖鉚、沖鉚連接（TOX無釘和SPR有釘沖鉚）、自攻螺接FDS及膠接或聯(lián)合使用幾種方法完成輕量化車身連接[4]。

根據(jù)技術(shù)路線2.0規(guī)劃，我國自主輕量化技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用體系的構(gòu)建，近期以完善高強度鋼應(yīng)用體系為重點，中期以形成輕質(zhì)合金應(yīng)用體系為方案，遠期形成多材料混合應(yīng)用體系為目標[2]。作為最主要的車身材料，高強度鋼目前已廣泛應(yīng)用在車身，在圖3的哪吒S中高強度鋼的在車身中比例已達到76%以上，其中熱成型鋼的比例達到29%。在2023年上海車展展示沃爾沃XC90白車身，熱成型鋼比例達到了38%。

鋁合金相較于鋼，質(zhì)量更輕，耐腐蝕性能更好。在門板、防撞梁、輪輞、電池PACK殼體等部位大量替代鋼使用，捷豹XJ、奧迪A8特斯拉Model S、寶馬7系都推出過全鋁車身，但過高的材料成本及較復(fù)雜的工藝限制了其進一步使用。

鎂合金是目前在工業(yè)應(yīng)用中密度最低的材料（約1.8g/cm3），已有超過60多種鎂合金零部件在汽車上應(yīng)用，如CCB骨架、方向盤骨架、座椅骨架、輪輞、門板框架等。鎂的力學(xué)性能不同于鋼和鋁，抗壓非對稱性、各向異性及應(yīng)變率敏感性加大了其結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜性及工藝難度[5]，同時高昂的材料成本及較弱的防腐性能也限制了其使用。

3 非金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用

一般我們所說非金屬材料，是指塑料復(fù)合材料。相較于金屬材料，非金屬材料密度小、比強度高、耐腐蝕、成型性好、加工成本低、減振吸能性好、輕量化效果明顯等優(yōu)點。非金屬目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于內(nèi)外飾件及部件功能件（見表1）。

在汽車內(nèi)外飾中，使用最多的高分子材為PP，PC+ABS，PU，ABS等，而PA、POM、PPO、PBT等更多的作為結(jié)構(gòu)件或功能件在汽車中使用。非金屬材料因為其特有的性能，在汽車中所占比重越來越大。但對我國汽車行業(yè)來說， 非金屬材料應(yīng)用尚處于初級階段， 發(fā)揮非金屬材料的輕量化巨大優(yōu)勢， 汽車零件的以塑代鋼已成研究熱點。本文將按照非金屬材料輕量化側(cè)重點的不同將其分為4個方向進行分析：以塑代鋼、以塑代塑、薄壁化、微發(fā)泡。

3.1 以塑代鋼

為達到汽車結(jié)構(gòu)件、功能件的強度等要求，通常需要對塑料進行增強改性。塑料強度提高最主要的技術(shù)方向是纖維增加復(fù)合材料的使用。纖維增強復(fù)合材料（Fiber Reinforced Plastics，F(xiàn)RP）主要將纖維與黏結(jié)性樹脂進行膠合，再經(jīng)過模具成型得到性能優(yōu)異的復(fù)合材料，其中纖維材料對于FRP性能的提升起著重要的作用。目前，玻纖、玄武巖纖維、碳纖維、植物纖維、芳綸等纖維用于FRP在汽車領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注與應(yīng)用。按聚合物中纖維的長度可對FPR進行分類：短纖維增強材料（纖維長度0.2mm～10mm），長纖維增強材料（纖維長度10mm以上）和連續(xù)纖維增強材料。

電動汽車的核心部件是動力電池PACK，占整車質(zhì)量18%～30%，而箱體質(zhì)量約占電池包總質(zhì)量的10%～20%，電池殼的輕量化是增加電動汽車續(xù)航最主要也是最高效的措施。電池PACK上殼體是目前纖維增強復(fù)合材料在汽車中應(yīng)用最廣泛的部件。根據(jù)車型定位與設(shè)計要求，電池PACK上殼體由最初的鋼或鋁合金向各類復(fù)合材料轉(zhuǎn)換， LFT-D，PCM、SMC、HP-RTM、WCM、STM、CFPR等復(fù)合材料因各自優(yōu)點在不同的新能源車型上均有使用。其中，采用萬華、科思創(chuàng)、亨斯邁PU的HP-RTM電池箱上蓋，整個殼體平均厚度在1.5mm 左右，最薄可以做到0.8mm，并可通過UL94-V0及耐外部火燒試驗。此方案綜合了減重效果、性能、價格、成型周期的優(yōu)勢，未來可能是非CTB/CTC方案的電池上殼體的首選。

汽車前端框架主要承載冷卻模塊及發(fā)動機罩鎖等總成零部件。隨著汽車模塊化、 集成化、 輕量化方向發(fā)展，周邊越來越多的零部件都安裝固定在前端框架上。前端框架由金屬發(fā)展到鋁塑結(jié)合，再到GMT模壓，進而優(yōu)化到PP+LGF注塑，是目前以塑代鋼有效實施的輕量化方案之一，已經(jīng)實現(xiàn)約70%的普及率。塑料骨架極佳的成型自由度，突破了大部分鈑金件的結(jié)構(gòu)約束，具有極高的集成性，大大的縮短了部件生產(chǎn)周期，降低總裝線生產(chǎn)成本，減重達到40%。

汽車后防撞梁，已有不少廠家使用GMT玻璃鋼或LGF-G等材料替代鋼鋁合金，能有效減少40%的重量，并且強度優(yōu)于市面上常用的C型鋼板后防撞梁。

因SUV車型更容易發(fā)揮塑料尾門輕量化、集成化、造型設(shè)計自由的優(yōu)勢，越來越多主機廠將尾門材料轉(zhuǎn)向SMC到第三代PP-LGF內(nèi)板和PP+TD30/20外板的組合，代表車型有奇駿、哪吒U等。

輕質(zhì)增強熱塑性塑料（Light-weight reinforced Thermoplastics， LWRT）以PP纖維和玻璃纖維為原料，通過開包、梳理、鋪網(wǎng)、針刺、熱壓而成的復(fù)合材料。與傳統(tǒng)GMT材料相比，LWRT保留了GMT材料的高比強度、低導(dǎo)熱系數(shù)、小尺寸變化率、可回收等優(yōu)點，并可大大降低部件的質(zhì)量和成本，同時提高其吸聲性能。目前LWRT廣泛應(yīng)用于底護板及衣帽架等。

短玻纖增加復(fù)合材料方面方面，鋁塑CCB方案，由全鋼替換為鋁合金與PA6+GF結(jié)合，降低了產(chǎn)品重量，優(yōu)化工藝難度。PA6+GF替代金屬的電子加速踏板方案，減重約35%，已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)普遍使用；還有采用PA6+GF50等高比例玻纖產(chǎn)品，在電機懸置中大量使用；豐田塞納及坦途采用PA6+GF50，用于后排座椅骨架，達到輕量化同時有效降低成本。

炭纖維增強復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced polymer，? CFRP）密度是鋼的20%，鋁的57%。CFRP高強度，高模量，優(yōu)良的震動阻尼，同時擁有優(yōu)異的力學(xué)性能、環(huán)境耐候性、尺寸穩(wěn)定性、可設(shè)計性、高吸能效率及減震性，是最有發(fā)展前景的汽車輕量化材料[6]。CFRP在汽車中的應(yīng)用始于20世紀50年代在F1賽車上作為車身材料，隨著碳纖維成本的下降與制造工藝的不斷成熟，CFRP在汽車工業(yè)中的應(yīng)用將逐漸由賽車、跑車及高檔豪華車向普及型汽車發(fā)展。寶馬是引領(lǐng)CFRP進入量產(chǎn)汽車領(lǐng)域的先行者。寶馬碳纖維應(yīng)用研究始于1999年，2014年交付的i3則首次將CFPR在量產(chǎn)車型推廣。自此，在i3/i8、7系、ix上開啟了Carbon life module、Carbon core到Carbon cage的原創(chuàng)與進化。

國內(nèi)車企中，蔚來ES6使用碳纖維后地板總成、座椅板總成、后地板橫梁總成三大部件，埃安Hyper-SSR采用的100%炭纖維碳覆蓋表面。

同時奔馳、合眾、BYD、吉利、零跑等眾多車型也大量采用碳纖維外飾運動套件及內(nèi)飾裝飾件。目前，CFRP在汽車工業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用主要難點在于碳纖維成本過高（見表2），其次成型工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，進一步推高了CFPR部件的成本。

3.2 以塑代塑

3.2.1 長玻纖材料替代短玻纖材料

和短纖維相比，長纖維（LFT）可以在塑料產(chǎn)品中形成3D纖維網(wǎng)絡(luò)，使產(chǎn)品具備很高的硬度和韌性：表面質(zhì)量高、力學(xué)強度高、耐高溫、抗沖擊、抗疲勞、低蠕變、低收縮、低翹曲和低摩擦損耗等，并且注塑件中各向同性要優(yōu)于短纖維。使用LFT后，可以做到更薄的設(shè)計。目前LFT技術(shù)主要應(yīng)用于前端框架、制造后背門內(nèi)板、儀表板骨架、底護板、備胎艙、后防撞梁等汽車零部件。

3.2.2 天然植物纖維使用

隨著生活水平的提高，綠色環(huán)保材料在汽車中應(yīng)用越來越廣。麻纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)環(huán)保，可降解，力學(xué)性能及減振降噪性能優(yōu)良等特性，在汽車中已得到了廣泛的應(yīng)用。沃爾沃、吉利、寶馬、豐田等汽車廠已在各自量產(chǎn)車型中將麻纖維應(yīng)用于門護板、衣帽架、座椅背板等。相較PP材料，麻纖維復(fù)合材料能降低30%重量。

竹纖維為纖維增強體，以聚丙烯等熱塑性樹脂為基體，可以采用非織造工藝和熱壓工藝制備的汽車門板、衣帽架、頂棚、后備艙側(cè)板等汽車用內(nèi)飾材料，但因為強度、工藝、氣味等問題，目前竹纖維復(fù)合材料更多處于研究階段。

3.2.3 低密度材料替代高密度材料：

塑料可以通過減少其礦物填充來達到降低材料密度，實現(xiàn)輕量化目的。部分主機廠在門板或立柱使用PP-EPDM-TD10或PP/PE-T5替代常規(guī)PP-EPDM-TD20。為實現(xiàn)低密度替代，需要提高材料剛性，通常使用高結(jié)晶PP來提高材料剛性的同時并保證沖擊強度。美孚等公司已經(jīng)在北美地區(qū)實現(xiàn)無礦物填充PP汽車門板和立柱量產(chǎn)，可將PP密度由1.06g/cm3降到0.90 g/cm3。

3.3 薄壁化

薄壁化本質(zhì)上屬于結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但需要對材料和工藝改進來突破傳統(tǒng)設(shè)計壁厚。汽車保險杠及門飾板是汽車使用薄壁化技術(shù)最成熟的部件，保險桿一般3.0mm厚，使用薄壁化技術(shù)可降低到2.5～2mm，門護板可以通過薄壁化技術(shù)從2.5mm厚度下降到2.0～1.5mm，在輕量化的同時有效降低本。為實現(xiàn)薄壁化，在工藝上需要使用表面氣輔技術(shù)：模腔內(nèi)，產(chǎn)品充滿后，在制品冷卻凝結(jié)的過程中由模具型芯側(cè)向產(chǎn)品反面吹氣，氣體推動熔融塑膠繼續(xù)充填滿型腔，用氣體保壓代替塑膠保壓，高壓惰性氣體存在于產(chǎn)品反面和模具后模鋼材表面，對模具制造與設(shè)計要求更高[9]。薄壁化材料較普通注塑材料則要求高流動性、高韌性、高強度及高剛度，使制品達到減薄前的剛性要求。薄壁化減重效果明顯、零件成本基本不變、技術(shù)難度較低，是極優(yōu)的的輕量化方案，可結(jié)合低密度方案一同進行。

3.4 微發(fā)泡

常規(guī)發(fā)泡材料已在汽車中廣泛應(yīng)用，如EPP應(yīng)用于行李箱工具箱、保險杠緩沖塊，PU發(fā)泡應(yīng)用于座椅、頂棚等。常規(guī)發(fā)泡因其孔徑較大，通常不歸于微發(fā)泡。微孔發(fā)泡塑料定義為泡孔直徑小于10μm、泡孔密度在109～1015個/cm3的一種新型材料。相對于未發(fā)泡塑料，微孔發(fā)泡塑料的獨特結(jié)構(gòu)使其在沖擊強度、韌性和抗疲勞等方面具有優(yōu)良的性能，同時有熱穩(wěn)定性高，介電常數(shù)低，熱導(dǎo)率低，隔音性能好等優(yōu)點。

微孔發(fā)泡成型原理主要有兩點：當微孔發(fā)泡塑料中泡孔尺寸小于塑料內(nèi)部的裂紋時，微孔的存在將不會降低塑料的力學(xué)性能；同時，微孔的存在將使塑料中原來存在的裂紋尖端鈍化，有利于阻止裂紋在應(yīng)力作用下擴展。微孔發(fā)泡的核心在于利用熱力學(xué)不穩(wěn)定性產(chǎn)生很高的成核率，并且成核率要遠大于泡孔生長的速度[13]。

據(jù)發(fā)泡劑的不同可將發(fā)泡工藝分為分物理發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡?；瘜W(xué)發(fā)泡是對加入塑料中的化學(xué)發(fā)泡劑進行加熱使之分解釋放出氣體而發(fā)泡；或者利用各組分之間化學(xué)反應(yīng)釋放出的氣體而發(fā)泡（如PU發(fā)泡）?；瘜W(xué)發(fā)泡技術(shù)以其成本低，設(shè)備要求低等優(yōu)勢近年得到廣泛研究?；瘜W(xué)發(fā)泡可以結(jié)合模芯后退技術(shù)，達到減輕材料密度，密實表面的要求。

物理發(fā)泡利用物理的方法來使塑料發(fā)泡，主要包括3種模式：1）先將惰性氣體在壓力下溶于塑料熔體或糊狀物中，再經(jīng)過減壓釋放出氣體，從而在塑料中形成氣孔而發(fā)泡；2）通過對溶入聚合物熔體中的低沸點液體進行蒸發(fā)使之汽化而發(fā)泡；3）在塑料中添加空心球而形成發(fā)泡體而發(fā)泡。目前第一種發(fā)泡方法發(fā)展最快，以Trexel公司的MuCell微發(fā)泡注塑成型工藝表現(xiàn)得尤為突出。MuCell核心即采用超臨界流體Super Critical Fluid， SCF）為發(fā)泡劑，發(fā)泡劑在聚合物中形成均勻分布的微小氣孔，通過壓力控制氣泡的生長使樹脂形成泡孔均勻的微孔結(jié)構(gòu)。微發(fā)泡制品內(nèi)部幾無任何殘余應(yīng)力，其制品的翹曲和變形得到很好的抑制；由于能有效地防止收縮痕，因此對制品壁厚均勻度要求大大降低，大力提升了制品設(shè)計空間。熔體的發(fā)泡可補償模具壁上的收縮，因此，發(fā)泡所需的合模壓力相對低很多；與此相通的內(nèi)部模具壓力也比傳統(tǒng)注塑的注塑壓力大幅降低，從而熔體和模具溫度也相應(yīng)降低，最終表現(xiàn)為保壓和冷卻階段的時間降低。通過發(fā)泡技術(shù)，可以縮短15%-30%成型時間，降低20%的制品重量，是汽車輕量化的優(yōu)良解決方案。物理微發(fā)泡玻纖增強材料在儀表板骨架，化學(xué)微發(fā)泡材料用于尾門、行李箱側(cè)圍等都有了相關(guān)的量產(chǎn)應(yīng)用。

4 結(jié)束語

與金屬材料不相同，非金屬分子的結(jié)合鍵是共價鍵和氫鍵，并且分子量較大，所以非金屬材料密度低（1.0～2.0g/cm3），比強度高，模量較低，絕緣性和耐腐蝕性好，溫熱性差、容易老化。由于其應(yīng)變應(yīng)力曲線沒有明顯的屈服，其零件或構(gòu)件的失效應(yīng)力為強度極限，也即斷裂準則。因非金屬材料一般會添加礦物、彈性體及纖維進行增強改性，隨著注塑擠出，會有明顯的各向異性，補強材料分散不均還會導(dǎo)致非均質(zhì)問題，使所測得力學(xué)性能離散性較高，為應(yīng)對其離散性高的問題，一般會選擇一個較高的安全性系數(shù)。

為準確評估非金屬材料對零部件失效風險，需要將零件功能與結(jié)構(gòu)的要求精準對應(yīng)到材料要求中。主機廠通常采用搭建材料數(shù)據(jù)庫的方法，將材料的基本力學(xué)曲線及物理性能、力學(xué)性能、加工性能、熱學(xué)性能、電性能、環(huán)保性能等納入材料數(shù)據(jù)庫中，在設(shè)計選材時，將結(jié)構(gòu)需求與其材料特性進行匹配。

“將合格的材料用在合適地方”是汽車材料輕量化的關(guān)鍵，“多材料混合應(yīng)用體系”是汽車輕量化未來目標。多材料混合應(yīng)用體系對汽車產(chǎn)品的設(shè)計、材料開發(fā)、工藝優(yōu)化帶來新的挑戰(zhàn)，特別是原材料的性能、成本是汽車研發(fā)工程師選材、用材的決策關(guān)鍵。針對目前新材料應(yīng)用現(xiàn)狀，一是可以通過新材料基礎(chǔ)性能改善、提升規(guī)模效益來優(yōu)化成本，二是通過推動新材料及新工藝數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作，選材用材將其放在整車性能的框架下去評估。未來，多材料混合應(yīng)用的技術(shù)路線一定是多樣化的，每個汽車主機廠都會結(jié)合自身優(yōu)勢、綜合考慮各種材料性能及成本，形成自己獨特的材料體系。

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