轻量化材料的创新推动汽车“瘦身”

轻量化材料的创新推动汽车“瘦身”

发布时间:2024-02-05 17:26:38 来源:江南体育最新地址

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  春季正是瘦身好时节,不同于人们的季节性减肥,汽车“瘦身”的脚步从未停歇。利用一些轻量化新材料,在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,来提升汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染,慢慢的变成了世界汽车发展的潮流。

  日前在安徽芜湖举行的“2023国际汽车新材料大会”上,专家聚焦汽车材料轻量化等问题进行了热烈的讨论。

  安全、低碳和环保已成为21世纪全球汽车发展的主流趋势,我国“双碳”政策的出台加速了我国汽车低碳化发展进程。

  “汽车整备质量的降低能够有效降低能耗,因此汽车轻量化在我国也得到大力发展与重视。”中国汽车技术研究中心有限公司汽车工程研究院轻量化领域首席专家孟宪明博士介绍,特别是新能源汽车作为我国汽车工业实现弯道超车,变成全球汽车强国的战略发展领域,是我国汽车工业发展的重中之重,与此同时,5G、智能驾驶等技术的发展赋予了新能源汽车更多的功能与多样性,搭载了“三电”系统和大量智能化设备的新能源汽车,相对传统汽车对轻量化具有更为迫切且现实的需求。此外,在“里程焦虑”和“降本诉求”下,对整车轻量化提出了更高要求。

  目前,汽车轻量化主要是通过材料轻量化、结构轻量化、工艺轻量化等途径实现,三者间相互作用相互影响。“相较于结构和工艺的轻量化,轻量化材料带来的效果更为立竿见影,还可以极大地带动轻量化工艺及结构的技术发展。”孟宪明认为。

  然而实现材料轻量化的突破并非易事,要兼顾重量轻、强度高,并且要控制成本。在“严要求”下,能进入“决赛圈”的汽车轻量化材料依据材料类型可分为轻量化金属材料与轻量化非金属材料两大类。

  轻量化金属材料主要以超高强钢和轻合金材料为主,主要使用在于承力部位以及次承力结构件。

  其中超高强钢材料可以在一定程度上完成在保证零部件及整车结构强度的前提下,降低零部件厚度,达到汽车轻量化效果,被大范围的应用在车身主承力件例如A/B/C立柱,纵梁以及门槛等关键承力部位。

  “但在一些综合性能特别优良的钢种方面,其材料配方,制造工艺等被国外专利垄断,没有实现自主掌握。与此同时,在超高强材料回弹控制、氢致延迟断裂特性等方面仍需进一步攻关,以降低应用成本和扩大应用场景。”孟宪明说。

  汽车轻质合金材料主要以铝合金和镁合金应用为主。铝合金具有强度高,易成形加工,且拥有非常良好的耐腐的能力和可回收性,是汽车制造业性价比最高的轻量化材料之一,大范围的应用于发动机制造、轮毂、副车架以及次承力结构件。不过缺点是成型的过程中存在较高的废品率,并且铝合金原材料价格较高,连接工艺门槛较高。

  镁合金作为第二大车用轻合金材料,比铝合金具有更低的密度和更优异的轻量化表现,目前主要使用在于轮毂轮辋、仪表板等部位,但其进一步的大范围应用仍需解决腐蚀耐候问题。

  轻量化非金属材料主要以高性能塑料和复合材料为主,在汽车上主要分布在内饰件及部分外饰覆盖件。

  高性能塑料主要以PP、PA6、PA66、PU等工程塑料和共混塑料为主,大范围的应用在中控台、仪表盘以及门护板等内饰区域,这类材料由于质量占比较少,因此轻量化空间较小,更多的是通过改性设计提升其在触感、VOC、抗菌等功能特性。

  复合材料目前主要以矿物、玻纤和碳纤填充复合材料为主,通过矿物和玻纤填充工程塑料获得力学性能优异的复合材料,在涉及行人保护的车身覆盖件以及尾门等部位能代替原有钢质覆盖件。

  “碳纤维复合材料比强度和比模量高于传统金属材料3到5倍,是最理想的轻量化材料之一,在车身结构加强及次承力零件轻量化领域有望得到普遍应用。”孟宪明介绍,但由于碳纤维原丝原丝成本高,成型工艺不成熟,目前依旧难以在汽车行业中大规模应用。

  2020年国务院办公厅印发的《新能源汽车产业高质量发展规划(2021-2035年)》中提到,要求加强新材料技术的布局,全力支持碳化硅功率器件、轻量化材料、低成本稀土永磁材料等研发,来支持新能源汽车的发展;2021年6月中华人民共和国工业与信息化部发布的《汽车产品生产者责任延伸试点实施方案》中,强调要加强绿色产品研制,增加低油耗、低排放及新能源汽车生产比例,快速推进整车及零部件轻量化技术探讨研究与应用。

  除了国家层面出台的政策外,全国各省市也相继出台了有关政策促进汽车轻量化行业的发展。

  2022年山西省工业和信息化厅发布了《山西省有色金属企业改造提升2022年行动计划》,2021年黑龙江省人民政府发布了《黑龙江省中长期科学和技术发展规划(2021—2035年)》,江苏省工业和信息化厅发布了《江苏省“十三五”汽车产业高质量发展规划》,天津市工业和信息化局发布了《天津市制造业高水平发展“十四五”规划》,均提出了要加快发展轻量化材料的应用。

  在各项政策的加持下,我国汽车轻量化材料方面也取得了很大的进步,特别是在新能源汽车赛道,我国和欧美国家站在了同一个起跑线上。

  “不过我国汽车轻量化材料在生产制造工艺技术及其装备等方面,仍与国际领先水平有一定的差距。”孟宪明介绍,目前高端轻量化材料生产技术被美国、欧盟国家、日本等掌控。以纤维复合材料为例,我国仅中复神鹰、江苏恒神等企业能生产较高水准碳纤维,但与日本东丽、帝人以及美国赫氏等国际企业相比,产品性能差距明显。

  轻量化材料成形与连接工艺技术被高端车企垄断。如特斯拉、奥迪等,其率先掌握了一体压铸技术、铝合金电阻点焊等技术,但目前国内应用还有待突破。

  “轻量化材料的应用也需要整车结构正向设计的支撑。”孟宪明表示,国内正向设计技术相较于国际领先水平仍有较大差距。

  此外,我国轻量化材料应用与评价体系目前还不完善。轻量化是一个多学科多技术的交叉领域,想要形成完善的标准、评价体系用来指导轻量化过程的开展,是一项具有巨大挑战的工作,目前在全世界内均未形成成熟体系,我国在该体系建设方面相较于汽车工业发达国家同样稍有落后。

  我国轻量化材料产业链成熟度也有不足。一方面,由于技术不成熟,导致轻量化新材料研发、制造和加工成本高;另一方面,产业应用周期长,人员、设备等配套不完善,进一步限制了轻量化新材料的应用。“这需全行业上下游一起努力,推动轻量化技术的产业化发展。”孟宪明说。

  “双碳”目标的确定,给新能源和智能网联汽车发展带来新的机遇,汽车产品竞争进入了新的赛道,新材料竞争是这场赛事的主要赛点之一,而未来汽车轻量化材料的发展也将是材料、结构、工艺、性能四方面协同发展。

  “新材料的研发、结构的优化设计、制造工艺的实现以及性能评价与表征手段的共同进步,才能共同推进汽车轻量化材料大范围的产业化应用。”孟宪明认为,特别是先进成形与连接技术等轻量化工艺重要性将愈发凸显。

  与此同时,加快生产制造设备国产化与提升产品质量稳定性,将有力促进汽车轻量化材料的快速发展。

  “中国汽车技术研究中心有限公司作为引领我国汽车行业技术进步的机构,在汽车轻量化领域围绕一体式压铸、一体式冲压成型、复材RTM成型以及多材料混合车身等先进的技术开展研究与创新工作,并形成了多项成果,并将持续为我国汽车行业轻量化技术进步提供助力。”孟宪明介绍。

  此外,随着数字时代的到来,数据库建设与数据共享生态在汽车轻量化材料创新方面的重要性日益凸显。

  孟宪明表示:“数据库作为新材料研发、结构设计、制造工艺开发、生产的全部过程管控等汽车产品全生命周期中最重要的支撑,是现代汽车技术发展的基石之一,建立打通结构设计-性能开发-工艺实现-生产制造用多材料混合车身数据库,形成全行业数据库共享生态,能够有效提升我国汽车产品质量,加快汽车产业高质量发展,这也是未来我国汽车轻量化技术高水平发展的重要方向之一。”

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