轻量化材料

20 世纪70 年代的发生的石油危机，推动了国外汽车轻量化材料技术的发展。发达国家在研究如何解决能源短缺和环境恶化的过程中，制定了一些非常严格的强制性法律和制度，目的是为了降低车辆的燃油消耗，减少汽车的尾气排放。因此，汽车厂商为了满足政策法规的要求，投入了大量的人力及物力用于研发节能环保、轻量化、可回收的材料。此外，各国政府为企业、大学以及研究机构提供了大量的资金支持，用于研发汽车轻量化材料，从而进一步促进了汽车轻量化的发展。目前，我国汽车材料产业已经初具规模，大量自主研发的新材料以及新技术已经成功实现商业化。一、车用高强度钢材料及其技术发展趋势为了在与其他种类竞争中保持优势地位，扩大高强度钢材料在汽车上的应用范围，巩固高强度钢在汽车用材中的主导地位，未来高强度钢的技术开发将紧密围绕汽车工业降低成本、减轻车辆自重的要求来展开。研究重点内容包括：1.新一代先进高强度钢（板、管材）的开发目前的高强度钢（比如双相钢、低合金高强度钢、TRP 钢和复相钢）的强度均在400~1200MPa 左右。而通过对化学成分的优化设计以及对冶炼技术的改进，可以减少或取消贵重合金元素的用量，开发出强度更高，且其他性能（塑性、韧性、成形性）优良的高强度钢。比如，高成形性的品种、高弹性模量的品种和成形后强化非烘烤硬化新品种等。2.先进的成形技术研发目前高强度钢的成形工艺主要有深冲、延展、拉伸翻边、弯曲等，由于这些工艺本身的局限性，先进成形技术的研发显得十分迫切。未来成形技术研发方向主要有：管件液压成形、板件液压成形、辊压成形、电磁成形与气体热成形等 此外先进高强度钢的焊接高强度钢与其他合金连接的激光拼焊技术以及开发新的连接技术，也是未来研发的重点。3.成形过程的CAE 分析高强度钢在汽车工业中的应用遇到的难题是“成形”。由于强度的升高，必然造成成形困难且成形后可能发生开裂和回弹，用计算机进行成形的CAE 分析，对成形过程的变形路径进行优化，以保证成形而避免开裂 对回弹进行模拟分析，预测回弹，进而进行回弹补偿，可大大提高和改善高强度钢的成形性，从而大大节约模具调试时间和修模工作量。4.进一步研发超细晶粒钢超细晶粒钢是一种新的高强度钢板材料。这样的钢材料的主要经济指标得到了进一步提高，与现有的钢材相比较而言，其强度和韧性均超过了现有钢材的一倍以上。新型超细晶粒钢主要类型分为400MPa 级和800MPa级，具备了高均匀度、超细晶粒以及高洁净度等三大主要特征。二、铝合金材料的应用进展最近几年来，全球性的能源和环境问题愈发严峻，面对这样的形势，很多汽车制造商就要在降低车辆自重和降低燃油消耗方面加大投入和研发力度，降低因为汽车生产过程多带来的环境损害后果。在材料属性方面，铝硅合金多具有共晶和亚共晶结构，也有一部分的汽车零件仍然会使用传统的过共晶铝硅合金，但是这种材料的铸造性能和机加工性能不够优越，近些年来多采用的是低硅或中硅亚共晶铝硅合金材料。再者不同用途的汽车零部件，所采用的铝合金材料特点也存在差异。铝铸造产品多应用于转向机构和制动器零部件中，铝铸造零部件可以承受大于10MPa 以上的压力，其耐腐蚀性和强度也较高，要不断研究开发出力学性能高、耐腐蚀强度高的铝合金材料。研发具有良好铸造性能的Al-Cu 系耐热铝合金以满足制动器耐热要求；研发具有良好耐磨性的Al-Si-Fe-Mn-Cr 合金以满足自动变速箱离合器零件、冷气压缩机汽缸、换挡拨叉件的要求。此外，应用于车体与悬挂系统的部件，除了具备高强度外，还要求开发具备能量吸收与良好的变形特性，Al-Si-Mg 系非热处理型高强高韧性铝合金是未来研发方向之一。三、镁合金材料的应用进展镁及镁合金材料是一种较为理想的汽车轻量化材料，但存在一些必须解决的问题，如材料性能随着温度升高而降低问题和腐蚀问题等。因此需要进一步研究开发新的镁合金材料及其成形制造技术。镁合金材料的成形方法分为铸造加工成形和塑性成形，当前主要运用的是铸造成形方法，且压铸方法是镁合金铸造成形方法中应用最广泛的。最近发展起来的镁合金压铸新技术包括充氧压铸和真空压铸，充氧压铸在生产汽车镁合金零部件上的应用较广泛，真空压铸可生产出AM60B 镁合金汽车方向盘和轮毂。镁合金成形以铸造工艺为主，但铸件的缺陷限制了镁合金性能的提高，局限了镁合金的广泛应用。镁合金使用塑性成形方法，可有效地消减铸件缺陷的影响，通常采用热处理强化和形变强化可明显地提高合金的性能，但由于镁的密排六方结构，变形难度比钢、铝和铜等要大。如果直接运用铝合金已有的塑性成形方法，往往会使得镁合金材料的成品率很低，使塑性加工成形成本过高，影响了镁合金在各领域的应用。因此，加快发展镁合金塑性成形方法也是研究的热点和发展的趋势。四、碳纤维增强树脂基复合材料应用碳纤维增强聚合物基复合材料（ Carbon Fiber Reinforced Polymers，CFRP） 具 有独特的性能优势，是汽车新材料领域备受关注。相较于其他汽车材料而言其优势有以下几个方面：1.力学性能优异汽车上使用的碳纤维增强树脂基复合材料密度仅为1.5~2.0g/cm3，只达到普通碳钢密度的20~25%，质量是同体积铝合金的约2/3，但是碳纤维复合材料的综合力学性能要高于传统的金属材料，抗拉强度达到了钢材的3~4 倍。CFRP 的疲劳强度是抗拉强度占比达到70%~80%。另外，CFRP 的振动阻尼特性也要优于轻金属，例如通常轻合金发生震动后需要9s 震动才能停止，而CFRP 振动2s便可以停止。2.一体化制造汽车结构发展的另外一种趋势就是模块化与整体化。采用复合材料能够在其成型过程中制成形状各异的曲面，能够完成汽车零部件的一体化制造。采用一体化成型制造一方面可以大幅度减少汽车零部件数量和零部件之间的连接工序，另一方面也使得零件的生产周期大幅缩短。3.吸能抗冲击性强CFRP 具有的粘弹性也相当出色，同时碳纤维和基体之间会因为局部的微小摩擦而产生界面应力。在粘弹性与界面摩擦力共同作用下，CFRP 汽车制件能够表现出优越的吸能抗冲击能力。再者，经过特殊制作的碳纤维复合材料，其具有的碰撞吸能结构可以在剧烈碰撞状态下碎裂成很小的碎片，使得撞击能量得以最大化的分散，这种材料的能量吸收能高出普通金属材料的5 倍左右，极大提升了汽车的安全性，保障乘车人员的生命安全。4.耐腐蚀性好碳纤维丝束和树脂材料共同组成了碳纤维增强聚合物基复合材料，其耐酸碱性能也较为优异，用其制造的汽车零部件无需进行表面防腐处理，其耐候性及耐老化性极好，寿命是普通钢材的约2 ～3 倍。五、结语汽车轻量化是实现节能、减排的重要技术措施之一。世界铝业协会的报告指出，汽车自重每减轻10%，燃油消耗可降低6%~8%。因此，汽车轻量化对于节约能源、减少排放、实现可持续发展战略具有十分积极的意义。高强钢、铝合金、镁合金和天然纤维增强聚合物生态复合材料是当前轻量化、节能环保、可回收汽车新材料的重要组成。轻量、节能、环保和可回收将成为国内外汽车工业发展的重要方向。参考文献：[1]范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2014（01）：1-16.[2]陈晓斌，韩英淳，胡平，等.板料材质及厚度对车身结构性能及轻量化的影响[J].吉林大学学报（工学版），2010，40（增刊）.[3]高阳. 汽车轻量化技术方案及应用实例[J].汽车工程学报，2018，8（001）：1-9.[4]彭孟娜，马建伟.碳纤维及其在汽车轻量化中的应用[J].合成纤维工业，2018，041（001）：53-57.[5]付彭怀，彭立明，丁文江.汽车轻量化技术：铝/镁合金及其成型技术发展动态[J].中国工程科学，2018，20（001）：84-90.

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严格的碳排放法规和激烈的竞争正在导致整个汽车供应链的快速变化。当汽车每减轻100公斤重量时，二氧化碳排放可以每100公里减少8.5克，因此减少汽车重量仍然是当务之急。制造商正在努力从每滴燃油中获取更多收益，而对于EV（电动汽车）而言，则只需一次充电即可获得更多收益。归根结底，答案是通过在整辆车上使用更轻的部件来减轻重量，而不管您使用的是哪种动力技术，使用更轻的材料替代钢材的作用最*大。然而，轻量化之路带来了关键的材料分析和质量控制挑战。　　材料分析有四种关键技术：激光诱导击穿光谱（LIBS），光发射光谱（OES），热分析（TA）和X射线荧光（XRF）。OES，XRF和LIBS都非常通用，特别是在识别金属时。另一方面，TA研究材料随温度变化的特性。　　在这里，我们考虑技术如何使行业确保材料满足质量要求。变革背后的推动力　　汽车发展的主要动力是环境。当前旨在减少排放的立法正在推动汽车零部件材料的创新，并且，随着全球标准变得越来越严格，变革的步伐正在加快。为了应对日益增加的污染，欧洲排放标准变得更具挑战性。根据目前的欧6法规，我们将进入下一阶段的标准，到2021年，新车的平均二氧化碳排放量最*大不得超过95g / km。此外，欧盟设定的二氧化碳减排目标为2025年达到15％和2030年达到37.5％。这导致大多数制造商开发了电动动力总成技术并努力减轻重量。　　世界协调轻型车辆测试程序（WLTP）于2018年生效，以确保新车符合欧6标准；旨在反映评估二氧化碳排放时的实际驾驶条件。　　在中国，标准也越来越严格。符合欧洲排放标准的中国6a将于2020年生效，另外一项标准将于2023年生效。该标准将根据WLTP进行验证，目标是将二氧化碳排放量减少90％以上。同样，美国有75％的一氧化碳污染归因于机动车，环境保护署于2020年1月宣布，它正在制定新的规则以减少车辆的排放，并遵循全球榜样，使汽车更轻。　　因此，汽车行业及其供应链需要合作，为该行业提供材料创新，使汽车变得更轻。轻金属的兴起　　汽车行业对零部件有非常严格的要求。安全显然是第*一位的，许多部件必须是延展性的，以吸收冲击时的能量，而其他部件必须具有强度，以保持结构刚度。　　新合金的开发是一门非常精确的科学，对熔体化学进行精确到ppm的分析是避免残留元素的关键，因为残留元素会影响合金的性能。铝和镁合金因其重量轻、成本相对较低并具有许多所需的性能而赢得了业界的青睐。它们可以形成复杂的形状，包括发动机部件、变速箱外壳和结构件。　　事实上，预计到2021年，这些零部件的全球市场将以近7%的复合年增长率增长，市场规模将达到480亿美元。　　铝　　与普通钢材相比，铝的重量只有三分之一，近年来，铝在汽车上的使用量直线上升。2018年，宝马(BMW)在其5系车型中获得了减轻后门重量的概念奖。通过使用铝代替深冲钢板，宝马将后挡板从24.6公斤减少到11.6公斤。到2022年，平均每辆车预计将含有近100公斤的铝，以取代较重的部件。到2025年，汽车行业将占到所有铝消费量(3000万吨) 的四分之一。　　然而，要大幅提高铝的强度，您需要添加锂。　　第三代铝锂合金可以成为豪华汽车各种部件的组成部分，结合了低密度、低强度、低刚度和抗损伤性。随着铝的提高，提供有效材料分析的技术也在不断发展。快速铝合金分选的首*选是手持式LIBS分析仪，而OES仪器除了分析磷和硫之外，还可以分析铝中极低含量的锂(低至0.0005%)。　　添加磷和硫通常是为了改善可加工性；但是，它们都对耐腐蚀性有不利影响，因此需要少量添加。　　为分析铝合金而优化的分析仪将使制造商能够更有效地进行材料分析。　　理想情况下，它应该配备一个高性能的光谱仪，能够测量铝合金中的锂，并能够测量硼铝合金。　　硼和锂不能用任何手持XRF分析仪测量。如果您需要低于5ppm的硼浓度，那么您应该选择OES分析仪以获得最*佳结果。　　镁　　镁比铝轻，是所有结构金属中强度与重量比最*高的。它储量丰富，很容易回收，所以它在外壳和空间框架中取代钢和铝，并被广泛用于含铝的合金中也就不足为奇了。欧宝在Vectra车型中使用了镁作为仪表盘支撑，与之前使用的钢管相比节省了5公斤，并简化了制造工艺。　　镁确实有缺点；它很脆，没有铝的蠕变抗力。然而，创新可以解决这个问题。澳大利亚莫纳什大学的一个研究小组发明了一种改变镁微观结构的方法，这样它就可以在室温下被压缩成任何形状，而不会破裂。美国能源部还开发了一种工艺，改善了镁的能量吸收和延展性，使其在更大范围的汽车零部件中更具可行性。正在开发的新合金的质量来自于拥有合适工具的制造商。从确保使用正确的材料来控制金属熔体，对组织来说，投资于能够快速准确地为决策提供结果的分析仪是至关重要的。对于ppm级别的合金分析，OES技术提供了最*精确的结果，因为该技术覆盖了金属中所有元素的光谱，包括磷、硫和硼，这些元素根本无法用手持LIBS或XRF分析仪进行测量或具有必要的检测极限。新一代OES分析仪专为快速、可靠和经济实惠的熔体和原材料分析而设计。　　它们可以分析所有主要的合金元素，并识别金属中极低水平的残留元素、痕量元素和处理元素。钢铁准备卷土重来　　许多钢铁制造商正在开发一种超轻钢，这种钢材更坚固、更便宜，而且重量几乎与铝一样轻，以求夺回市场份额。随着2021年新产品有望上市，人们将很难抗拒更强实力和更低成本的诱惑。五年后，车辆使用的材料很可能比以往任何时候都要多。因此，需要为正确的部件使用正确的材料并验证材料牌号组成，这将是至关重要的。　　许多铸造厂在发货时已经在使用分析仪。原材料到厂后再到车间进行检查同样很有价值。确保团队手头有手持XRF和LIBS或OES等工具进行材料分析和质量检查，以验证材料等级，这一点变得越来越重要。复合材料作为替代方案　　比铝轻30%，比钢轻25%，使用复合材料是减轻汽车重量和提高燃油经济性的另一种途径。它们的耐用性和无需高压工具即可模制成各种复杂形状的能力提高了生产效率，降低了成本。　　几乎所有的TA技术都可以用于汽车行业的质量控制和研发。通常，DCS分析仪用于玻璃化转变、结晶行为、反应焓和动力学以及填料的影响；TMA分析仪研究材料的膨胀或收缩；DMA分析仪最*适合用于表征材料的频率、力和振幅相关的机械行为。结论　　近年来，材料分析领域发生了快速变化，以跟上行业新法规和创新的步伐。OES、XRF、LIBS和TA等技术的持续开发和应用使整个汽车行业的公司更容易进行分析，具有释放商业价值的巨大潜力。　　盈利能力最*大的消耗之一是供应链。延迟分析进货材料会消耗营运资金。　　而且，因为您无法进行检查而使用杂质含量不能接受的材料，会导致成本增加，并可能损害您的声誉。从铸造厂、制造商和金属部件生产商到电子供应商和回收企业，为汽车开发过程的每个阶段选择正确的技术对于确保分析跟上不断变化的监管要求至关重要。持续的创新和发展对于帮助汽车业应对今天面临的挑战和为即将到来的事情做好准备至关重要。　　关于作者Mikko J?rvikivi是日立分析仪器公司全球产品管理的负责人。Mikko拥有15年的材料分析和手持仪器经验，于2006年加入牛津仪器，牛津仪器于2017年7月被日立高新集团收购。Mikko拥有理科硕士学位(理工科)。芬兰阿尔托大学化学工程专业。