汽车材料应用展望

一辆汽车有2万多个零件，这些零件使用了4000余种不同的材料加工制造，其中80％左右是金属材料。金属材料之所以在汽车上得到广泛应用，是因为金属材料具有许多良好的性能。

21世纪是高新技术的世纪，信息、生物和新材料代表了高新技术发展的方向。对汽车材料来说，其总的发展趋势是：结构材料中钢铁材料所占比例将逐步下降，有色金属、陶瓷材料、复合材料、高分子材料等新型材料的用量将有所上升。在性能可靠的前提条件下，将尽可能多地采用铝合金、复合材料等轻型、新型材料取代钢铁材料，使汽车向轻量化、高效、节能、低噪声、高舒适度、高安全性等方向发展。

全球能源消耗日益增加，消费者对汽车的需求也不断增长，这些都对油价施加了压力，150美元一桶的油价不再是天方夜谭。与此同时，发达国家和新兴国家的监管方都立法规定汽车排放标准，并鼓励循环使用，以期通过此方法解决能源成本和环境问题。

为了满足汽车轻量化的要求，汽车上采用了纤维增强聚合物基复合材料（FRP）、铝合金或纤维增强金属基复合材料（FRM）取代原有的钢铁结构零件；采用新型高强度陶瓷材料制造汽车发动机部件乃至整机；运用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）制造驱动轴等。此外，汽车运行材料趋向采用绿色环保材料或燃料。

由于受到汽车舒适性和安全法规的影响，乘用车的单车平均重量在2004年以前持续攀升，从20世纪80年代初的平均单车重量1.4吨上升到2004年前后的单车1.8吨。而近年来排放和节能法规日趋严格，汽车轻量化已成为新的发展趋势，预计到2020年乘用车的平均重量将下降到1.6吨左右，如图1-7所示。总重量似乎下降不大，但如果考虑到这个总下降量是不同材料的有增有减结果的综合效果，进而分解到车身的每种部件和不同材料时，可以发现每种汽车组成材料的变化还是相当显著的。

目前，铝与塑料在乘用车制造中已经是普遍使用的材料，全球单车平均用量都在100 kg以上，如图1-8所示。在一些技术激进的车辆上用量更大，比如奥迪A8甚至A6L都采用了全铝车身，铝制发动机、铝制变速箱壳体以及铝制轮毂等铝制件渗透率逐年提升。而近年来由于改性工程塑料材料的性能得到进一步发展，采用塑料制作车身覆盖件也屡见不鲜，尤其是考虑到工程塑料件在撞车事故中可以有效吸收冲击能量，在欧洲和日本法规对车外部人员安全要求较高的国家，汽车外部车身上的塑料使用量已相当普遍。工程塑料未来应用面临的最大难题则是对环境的危害，欧盟等国家和地区的法规目前要求报废车辆的材料可利用率在95％以上，而且未来还会继续提高要求，受此影响，部分类别的工程塑料则会逐步退出汽车制造市场。

图1-7　全球乘用车平均重量变化趋势及预测

图1-8　2011年全球单台汽车用铝和塑料量比较(www.xing528.com)

当然除了排放和节能导致的轻量化要求、成本限制和环保法规（可回收或可利用）外，汽车材料的应用变化同时还受到安全法规和加工性能要求的影响。展望2020年，我们相信从单车平均重量来看，会有约180 kg的普通钢材零部件会被替代，其主要替代材料为高强度钢、铝与塑料。高强度钢虽然成本略高，但其加工性能和在部分部件上的安全性能超越了铝与塑料，因而未来将是增加最多的材料，与现在相比，到2020年高强度钢总重量平均每车约增加51 kg；其次为铝——平均每车约增加45 kg，以及塑料——平均每车约增加15 kg，如图1-9所示。

为了保持最佳的燃油效率，汽车生产商将使用重量更轻的材料。专家预计，在下个10年中，塑料将占车辆平均重量的18％，比2000年的14％有所增加，如图1-10所示。

图1-9　2011—2020年全球单台汽车主要材料增减量预测

图1-10　预计2020年汽车应用材料分布

（注：由于四舍五入，有些年份百分值相加可能不到100％）

随着科技水平的不断进步和发展，相信会有更多的汽车新型材料问世，不断应用于汽车行业之中。