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當(dāng)汽車油耗壓力步步緊逼,當(dāng)續(xù)航里程短板亟待補齊,能夠緩解這兩大壓力的輕量化已逐漸成為新車的重要標(biāo)簽,而比起結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化或是制造工藝提升,車企及零部件企業(yè)的側(cè)重點似乎更多地放在輕質(zhì)材料的開發(fā)及應(yīng)用方面,例如鋁合金、鎂合金、碳纖維等復(fù)合材料的采用。并且從目前來看,隨著輕量化概念的持續(xù)升溫,傳統(tǒng)材料未來將面臨大范圍的更新及替換,而輕質(zhì)材料之間也將掀起新一番的激烈競爭。
2025年前后,汽車材料仍會以鋼材為主
據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,近幾年生產(chǎn)的一輛普通轎車,其主要材料的重量構(gòu)成比大致為:鋼鐵65%-70%、有色金屬10%-15%、非金屬材料20%左右。而不可否認(rèn),在輕量化趨勢的影響下,各種新型材料,如輕金屬材料、復(fù)合材料等將越來越多的應(yīng)用于現(xiàn)代汽車,并且難以避免地將擠壓一些傳統(tǒng)汽車材料的占比。
在近日舉辦的第二屆汽車新材料新工藝發(fā)展趨勢論壇上,一汽高工田洪福再次分享了《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》有關(guān)輕量化材料的發(fā)展目標(biāo)。其中提到,到2030年,高強鋼應(yīng)用比例大幅增加,單車用鋁量超過350 kg,單車用鎂合金達(dá)到45kg,碳纖維使用量占車重5%。另外,盡管其中并沒有明確工程塑料及復(fù)合材料的用量,但在技術(shù)路徑中則指出會大力推進(jìn)其在汽車上的應(yīng)用。
鋼材一直是主要的汽車材料,即使在輕量化要求加大的今天,這一格局也仍未發(fā)生變化。田洪福更是明確指出,在2025年,鋼材在汽車中的應(yīng)用比例仍然會達(dá)到在50%以上。當(dāng)然,這里的鋼材更多指的是高強度鋼,它是在普通鋼材的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升性能,能夠達(dá)到減重以及提高碰撞安全性的效果,在汽車底盤橫梁加強板、懸架支架、發(fā)動機支架等等部件廣泛應(yīng)用。盡管其成本相比普通鋼材有所增加,但是相較于其它輕質(zhì)材料而言仍較有優(yōu)勢,是行業(yè)未來五年甚至更長時間內(nèi)的發(fā)展重點。
輕質(zhì)材料增長加快,但仍有局限
鋁合金的用量將僅次于鋼材,這一材料除了應(yīng)用于一些結(jié)構(gòu)件、沖壓件,還可用于車廂、車身等。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,2014年我國汽車單車平均用鋁量大約為92kg,歐美單車用鋁量達(dá)到150kg。而根據(jù)相關(guān)機構(gòu)測算,鋁合金在汽車中的使用空間高可達(dá)540kg,可使汽車減重40%。由此看來,鋁合金在汽車中的應(yīng)用還有很大空間,當(dāng)然,這還仰賴于其成本方面的突破。
鎂合金是常用金屬結(jié)構(gòu)材料Z輕的一種,其密度約為鋁的2/3,鋼的1/4,同時具備比強度高、比彈性模量大等優(yōu)點,在汽車中的應(yīng)用同樣在上升,目前在汽車輪轂、進(jìn)氣歧管、離合器、傳動外殼、齒輪箱等方面應(yīng)用較多。不過,由于成本及相關(guān)技術(shù)方面的原因,目前汽車鎂合金用量還不大。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,我國汽車平均用鎂量約為3kg,北美的汽車平均用鎂量也不到10 kg,但是根據(jù)美國汽車材料協(xié)會預(yù)計,隨著鎂合金技術(shù)的成熟和輕量化需求增加,到2020年,北美生產(chǎn)的汽車鎂合金用量將達(dá)到160kg。
作為兼具輕量化、安全性、舒適度和可靠性等優(yōu)異性能的輕量化材料,碳纖維材料前景極被看好,但是在當(dāng)前階段顯然還面臨諸多挑戰(zhàn),其中Z關(guān)鍵在于成本太高。據(jù)了解,同樣是1公斤材料,鋼材需0.8-1美金,鋁材需2.4-2.6美金,而碳纖維則高達(dá)20-30美金,幾乎是鋼材的20倍。相關(guān)資料顯示,目前業(yè)內(nèi)采用了改性瀝青、木質(zhì)素制備、聚烯烴制備、高強PANCF原絲、節(jié)能加工能源等方面技術(shù)來降低碳纖維生產(chǎn)成本。但是從整個行業(yè)水平來看,要實現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用則還有很長的路要走。
講成本更要講安全,汽車輕量化不宜操之過急
根據(jù)去年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》所提出的輕量化技術(shù)的發(fā)展思路,主要分三個階段實現(xiàn)汽車的逐年減重。一階段為2016年-2020年,實現(xiàn)整車比2015年減重10%。二階段為2021年-2025年,實現(xiàn)整車比2015年減重20%。三階段為2026年-2030年,實現(xiàn)整車比2015年減重35%。
田洪福表示,按照目前輕量化的發(fā)展情況及趨勢,以上目標(biāo)可以說是有依據(jù)的,是可以實現(xiàn)的。當(dāng)然也正如北汽高工鐘廣亮在此次會議期間接受蓋世汽車記者采訪時所說,這些目標(biāo)的實現(xiàn)也并非沒有壓力。也就是說,這是需要車企下功夫去做的。
的確,業(yè)界一直期待汽車輕量化有突飛猛進(jìn)的發(fā)展,但這似乎并不容易。首先是成本問題,多數(shù)輕質(zhì)材料都面臨這一因素的制約。鐘廣亮也表示,相對于技術(shù)方面的突破,輕量化所帶來的成本壓力更大。而在成本之外,還有一個問題同樣不容忽視,那就是汽車安全,盡管經(jīng)歷很長的時間讓業(yè)界明了汽車重量與汽車安全性并不成正比,但是汽車輕量化新型材料的出現(xiàn)對于測試等環(huán)節(jié)的確提出了新的要求。清華大學(xué)蘇州汽車研究院技術(shù)經(jīng)理吳海龍表示,現(xiàn)在汽車材料比如高強鋼、鋁合金、鎂合金、塑料復(fù)材等材料相比傳統(tǒng)車身應(yīng)用顯著增多,這些不同的材料如何應(yīng)用在車上面需要我們對材料有很好的理解,Z終把恰當(dāng)?shù)牟牧蠎?yīng)用在合適的位置。
指出,這些新的材料出現(xiàn)不同的力學(xué)特性,比如在碰撞載荷作用下大變形,各向異性和斷裂失效與傳統(tǒng)材料不一樣,還有材料的強度、失效特性等各個方面也需要去進(jìn)行測試。并且也只有把他們的特性研究清楚,才能夠?qū)@個材料應(yīng)用到什么部位做一個參考和依據(jù)。
不過可喜的是,材料輕量化雖缺乏“大”突破,但“小”進(jìn)展不斷,例如佛吉亞的座椅輕量化方案、泛亞的隔熱隔音材料以及索爾維的Technyl高性能材料等等。而不可否認(rèn),這些小進(jìn)展正是汽車輕量化目標(biāo)實現(xiàn)的關(guān)鍵。
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