【技术帖】汽车用轻量化材料的研究进展

据公安部统计，截至2022年，全球机动车保有量达15.2 亿辆，我国机动车保有量达4.17 亿辆，其中汽车保有量达3.19 亿辆，而新能源汽车保有量仅1310 万辆.汽车燃油消耗及尾气排放仍是造成全球环境污染严重和能源危机等问题的主要原因.汽车轻量化可以有效提高汽车续航里程，减少能源消耗和尾气排放，减轻环境压力，相关研究［1］表明：汽车自重每减少100 kg，百公里油耗可节省燃油0.3 ～0.5 L，可减少CO2排放8～11 g，而且车身减重后也会在一定程度上降低对汽车动力系统和汽车底盘的性能要求，或将带来二次减重效果.

美国为鼓励汽车轻量化，出台了符合特殊空气质量标准的轻型FCEVs 免除4000 美元所得税政策.我国在《节能与新能源汽车技术路线图》中指出，我国车辆整备质量2020年较2015年减重10%，预计2025年减重20%，到2030年减重35%.合理使用轻质材料较传统材料可减重10%～60%，表1 总结了不同轻质材料的特点、应用情况以及轻量化潜力.用轻质材料代替原有汽车零部件材料，保证汽车安全性能已是广大车企以减重提高整车性能的普遍方法，也是轻量化最直接的方式.宝马i3 用碳纤维增强复合材料制成的车身比传统钢制车身轻50%［2］，让众多车企看到轻质材料替换传统材料的效果.汽车新材料的研发是当前车企研发汽车的重要方向，也是今后汽车发展的趋势.本文主要罗列铝合金、镁合金、碳纤维、工程塑料等常用汽车轻量化材料的研究现状及未来发展趋势，并对近几年铝合金和镁合金强度、防腐改良、镁合金加工成型性改进、碳纤维回收利用方法以及塑料件应用改进进行综述.

表1 不同轻量化材料特点对比

续表1

铝合金指的是在铝中加入一种或几种铜、镁、硅、锰等元素以提高其强度或综合性能.铝合金以其较高的比强度（密度约为传统钢的1/3）、较好的工艺性能（耐腐蚀、可铸造、焊接、冲压等）深受汽车市场的喜爱.铝合金材料替换汽车零部件能使汽车在加速和制动上更加灵敏，具有更好的操纵性和燃油经济性.近年来，不管是传统燃油车还是新能源汽车，特别是纯电动汽车，都因车重带来了续航的性能问题，减重成为克服续航问题的重要途径，其单车用铝量均在逐年上升，由图1 可知单车用铝量最高，可见铝材市场在汽车行业需求量之大.

图1 中国单车铝合金用量测算/（kg/辆）

数据来源：国际铝业协会

1.1 铝合金材料类别

铝合金材料根据不同的使用场合，添加不同的元素改变其性能，分为1～8 系列，而多见于汽车上的主要是2 系、5 系、6 系.铝合金材料以其高比强度，吸收冲击力高，且回收利用率高，广泛应用于汽车的发动机系统、传动系统、底盘系统、车身系统、热交换系统等，表2 整合了汽车中常用的这几类铝合金具体应用及优缺点.

表2 不同系列铝合金特点及应用

1.2 不同系列铝合金性能改进

2 系铝合金主要添加铜元素，有时也会加入锰、镁、铅等以提高综合性能，具有良好的成形性、伸长率和杯突值（杯突实验测得试件刚好破裂时凸模压入深度），主要应用于驾驶室、车盖、外板等部件［3］.但烤漆硬化能力、耐腐蚀性不佳，焊接裂纹倾向大，难以满足快速烤漆硬化需求，也限制了更多使用工况.可通过喷漆、喷丸、制作镀层等表面处理提高其耐腐蚀性［4-6］.高博文等［7］利用电化学法在2024 铝合金表面镀上致密PEDOT（3，4-乙烯二氧噻吩）涂层，能有效提高耐腐蚀性.浙江大学黄绎等［8］通过溶胶凝胶工艺在2024 铝合金基材SiO2 上分别制备了具有单层和双层结构的陶瓷涂层，此方法可以得到致密平整的涂层材料，并且在2024 铝合金表面表现出较好的硬度及附着力.虽然涂层能有效提高铝合金的耐腐蚀性，但电化学法的环境要求高、实际应用中涂层制备的加工工艺还很复杂，无形中增加了制造成本，未来仍需进一步简化工艺，同时进一步研究提高2 系铝合金烤漆硬化能力的方法.

5 系铝合金中主要通过添加Mg 元素以达到固溶强化作用［9］，具有良好的耐疲劳性能，属于热处理不可强化合金，只能通过加工硬化获得高强度，成型性能好，焊接性好.但在成型时容易出现拉伸应变成形纹等问题（如产品表面出现一系列银齿状变形带），5 系铝合金汽车板的代表性应力-应变曲线及冲压成型时的典型成形纹如图2 所示［9］，第一种火焰状的成形纹是由于Mg 溶质气团的位错源释放，导致合金在显著的应变强化之前出现很大的形变量，在应力-应变曲线上呈现吕德斯曲线延迟现象；而第二种直线状花纹，应力-应变曲线出现锯齿状部分，这主要是镁降低铝合金的堆垛层错能，限制位错迁移率，原子难以错位重排，镁原子与位错发生动态作用，加剧位错增殖，使PLC 效应加剧.削弱PLC 效应对减轻锯齿、提高铝合金材料应用范围具有重要意义.张全成［10］对比去除镁元素的Al-Fe-Mn 合金和5052 合金析出相织构对PLC 效应影响，发现Al-Fe-Mn 合金尺寸明显粗大，对位错的钉扎作用很小，应力-应变曲线平滑，PLC 效应消失，因此增大晶粒尺寸可以有效避免表面锯齿状效应.现阶段由于表面缺陷的存在，5 系铝合金主要用于制造汽车内板、油箱导管及一些形状复杂但不需注重外观的部件［11］.改善5 系铝合金抗凹性是这一类材料的研究方向，这就需要提高材料硬度.相关研究［12］表明，随着镁离子含量的增加，5 系铝合金的强度和延展性能都会提高，但Scamans 等［13］发现镁原子易于在晶界处发生明显的偏析，引起氢脆，导致应力腐烛开裂，降低铝合金的耐腐性，因而需要合理控制镁的含量，平衡抗凹性和耐腐蚀性.Sun 等［14］通过表面机械处理方法获得较好抗腐蚀性和抗凹性的含0.1%镁的铝合金材料，硬度从46HV 增加到134HV.另外，添加少量稀土元素也能达到较好的改善效果.孙红梅等［15］发现了添加0.1%Zr 元素会使5083 铝合金材料晶粒增长速度降低，还使成分产生过冷现象，铸态晶粒尺寸从123 μm 减小到73 μm，抗拉强度可达到389.50 MPa，屈服强度达215.62 MPa，耐蚀性明显增强.

图2 5系铝合金汽车板的代表性应力-应变曲线及冲压成型时的典型成形纹［9］

6 系铝合金添加元素主要以镁和硅为主，其成形性和耐腐蚀性好，综合性能优良，进行固溶淬火和自然时效处理后屈服强度较低，具有良好的冲压成形性，而且在烤漆处理后强度提高，抗凹陷能力增强［16］，是汽车轻量化材料的优良选择.刘萌等［17］研究了6016-T6 铝合金材料固溶成型工艺，在550℃，5 min水冷时制备到308 MPa 抗拉强度的后风挡下横梁试件.6 系铝合金的自然时效效应［18］会影响该合金的使用性能，材料从供应商转移到制造商再到加工过程中，材料处于“暂存状态”，会形成大量细小原子团簇，提高屈服强度，增加冲压成型难度，导致冲压开裂；在影响成型性能的同时，由于自然时效效应会消耗淬火空位，β 相不易析出，弱化随后的烤漆时效硬化能力.Zhang 等［19］研究了Zr 对6022 铝合金时效硬化响应、组织演变和拉伸性能的影响.发现加入Zr 元素在一定程度上促进了β 相沉淀，改善时效硬化反应，细化晶粒，加入0.13%的Zr 元素能让铝合金强度从307 MPa 提高到342 MPa，伸长率也提高到17%.中南大学李翔等［18］研究温变形对6061铝合金自然时效及烤漆硬化的影响，发现230 ℃为变形加工的最适宜温度，此温度下成形后的6061 铝合金经烤漆过程后，硬度最高值可达到114 HV.

铝合金元素含量不同决定铝合金性能的差异，如表3，不同牌号的铝合金具有不同元素含量及材料特点，Cu、Mg、Mn、Fe 等元素是基本元素，在保证其含量基础上添加稀土元素和纳米颗粒是提高材料性能的主要方向.YANG 等［20］研究了纳米颗粒（TiB2+ ZrB2）对铝基复合材料力学性能的影响，原位（TiB2+ZrB2）/7055 Al 比7055 铝基复合材料抗拉强度提高到了361 MPa，增加了31.3%，伸长率也提高到3.6%，增加了44%.铜元素在提高铝合金强度上有很好的效果，但随着铜含量的增加，铝合金材料的流动性显著降低，这对铝合金材料的铸造产生不利影响，在平衡材料铸造性能与本身力学性能方面是技术的难点.Kang 等［21］研究了铝合金中铜、硅含量对其流动性、热撕裂性及力学性能的影响，实验表明，在含Cu 4.5%和含Si 1.5%时是保证足够力学性能铸件的最佳成分.加入0.1%Ti 的晶粒细化剂，经过热处理工艺得到拉伸强度为341 MPa，伸长率为4.7%的铝合金材料，能有效应用在汽车铝合金铸造中.在对7055 超硬铝合金的性能改善中，Yan等［22］通过添加1%Mg 调整析出物提高铝合金化学性能，120 ℃时效处理16 h 后抗拉强度高达701 MPa，伸长率也具有6.7%.

表3 不同牌号铝合金材料特点

铝合金虽然在诸多方面性能优于传统钢，但从材料的全生命周期来看，铝制部件的轻量化效应并没有像预期的那样显著减少温室气体排放.因为制造铝构件所用的原料多为电解还原的原铝，生产能耗和温室气体排放量远高于炼钢［23-26］，所以如果能将铝合金循环利用率提高将会是一条新途径.有学者提出统一铸造铝合金概念［27］，即采用单一的铝化学成分，可以满足汽车各种薄壁和厚壁零部件的铸造性能和机械性能要求.但这对材料要求极高，为了更好地替代高强度钢，需要调整铝合金中各成分含量，以达到普遍适用要求.常常通过添加纳米颗粒、改变加工工艺来提高材料性能，这对铝合金研究存在极大的挑战性，可为汽车轻量化和节能减排创造巨大的价值空间.综合考虑成本、工艺技术、环保等因素，铝合金最可能成为众多汽车大面积使用的材料.

镁合金是比铝合金更具潜力的汽车轻量化材料，具有质轻、比强度高、阻尼减振、电磁屏蔽性能优良、储能特性好等优点［28］，能在铝合金的基础上减重15%～20%［29］.从产品全生命周期上看，镁也是比铝更为环保的材料，对比铝合金轮毂，镁合金轮毂在整个生命周期中可使温室效应降低39.6%，对人体健康的损害程度降低24.0%［30］.由图3 可知，近年来，我国每年镁产量稳居世界第一［28］，但对镁的应用却相对较低.

图3 2015—2022年我国原镁及镁合金产量

2.1 镁合金材料成型性改进

由于镁合金表面形成的MgO 薄膜保护性差，且镁的电化学活性强，导致镁的耐腐蚀性较差［31］.镁合金的塑性成型能力差，其成型性甚至不如铝［32］，因此，改善镁合金的加工性能，提高其耐腐蚀性，延长其使用寿命，是当前扩大镁合金应用范围的主要研究目标.重庆大学等研究团队发现特定原子固溶在镁中既能阻碍基面位错滑移提高强度，又能通过缩小基面与非基面滑移阻力差距促进非基面滑移开启而改善塑性，达到同时提高镁合金强度和塑性的目的.重庆大学潘复生团队提出“固溶强化增塑”合金设计理念，有效改善镁合金塑性加工特性，并提出将该方法应用于和镁合金具有类似六方晶体结构的钛合金、铍合金等材料中［28，33］.除镁合金自身成分之外，纯净度、晶粒尺寸、组织均匀性等冶金质量对变形镁合金锭坯塑性加工能力和制品的综合性能也有着重要作用［11］.Chang 等［34］研究了Mg-4Li-3Al（wt.%）合金中加入Y 元素对其力学性能的影响，发现添加Y 元素后的铸态合金有固溶强化和晶粒细化作用，其热挤压力学性能明显提高.

2.2 镁合金材料防腐性方法

镁合金的防护有通过合理工艺设计的本征防护法和不改变内部物理及化学性质的非本征防护法［35］.付晓雨等［36］研究了稀土元素对AZ91 镁合金的耐蚀作用，发现添加Y 元素可以增加AZ91 镁合金表面膜钝化性能，提高其耐蚀性，0.9%的Y 比添加0.3% 的Y、添加0.4%（La，Ce）以及添加1.0%（La，Ce）混合稀土的钝化效果更明显.隔绝腐蚀介质的表面转化与涂层制备是有效延长镁合金使用寿命的方法.张晓菲等［37］通过磷化工艺并结合溶胶-凝胶工艺，先用磷化工艺在AZ31B 镁合金表面制备磷化膜，然后涂覆改性硅溶胶结合形成制备疏水复合膜，与镁合金基体紧密结合能有效阻隔腐蚀介质，降低腐蚀电流近两个数量级，且具有耐久性.文献［38-39］采用水热法制备天冬氨酸（ASP）插层的MgAl-ASP-LDHs 涂层，在腐蚀溶液中能够捕捉大量Cl-，具有良好的腐蚀抑制性.

镁合金是比铝合金更具轻量化潜力的金属材料，降噪、减振性均优于铝合金，且受冲击时应力分布更加均匀，但在整车应用占比却不足铝合金的十分之一，制备技术与先进制造技术和防腐技术等尚不成熟限制了它的广泛应用，将来镁合金技术取得重大突破时必然得到广泛应用，而且镁合金在汽车行业的应用大约占其总量的70%.我国镁合金天然含量丰富，这将降低镁合金的使用成本.

3.1 碳纤维复合材料在汽车中的应用

碳纤维复合材料不仅具有碳材料固有的性能，还兼具纤维的柔韧性和织造等特性，其比强度和比模量均优于其他纤维增强体，且耐高温、耐腐蚀，在汽车底盘、保险杠横梁等诸多结构中均有应用，是汽车轻量化的理想材料［40］.图4 是2015—2025年我国及全球碳纤维增长情况，可以看出全球碳纤维市场需求量巨大，且逐年递增，我国较之世界需求量增长更快.

图4 2015—2025年我国及全球碳纤维需求增长情况

数据来源：碳纤维行业报告

通用汽车曾用碳纤维制造了一台概念车车身，重量仅190 kg，可见碳纤维在轻量化中的强大魅力.Bambach［41］提出了一种将碳纤维黏合到钢表面来加固车顶结构的新技术，碳纤维与乘用车车顶结构结合后将车顶强度重量比提高了两倍.吉林大学陈静等［42］将某电动汽车电池箱下箱体用碳纤维材料替换铝合金材料，取得良好效益，优化后电池箱质量比原铝合金箱体减轻29.8%，一阶模态频率提高49%，纵向挤压位移也减小了55%.卢强等［43］利用碳纤维铝蜂窝复合材料，替换传统铝合金做出汽车保险杠横梁，减重达50%.碳纤维材料替换传统钢料，可获得比镁、铝合金更好的减重效果，但因其成本过高而仅在高端品牌汽车中大量应用.开发新的碳纤维生产技术，降低成本是打开未来汽车轻量化市场的途径之一.

3.2 碳纤维回收方法

对碳纤维材料的回收利用，可以降低生产碳纤维材料的成本，回收碳纤维材料可以扩大对碳纤维的利用程度，从而间接节约汽车成本.据统计，回收碳纤维的生产成本仅为原生碳纤维成本的50%～80%.碳纤维的回收方法主要有物理回收法、化学回收法等［44］.

物理回收法是利用机器对碳纤维旧料进行剪切粉碎处理，得到粉末状树脂材料和纤维状碳纤维，这种方法门槛低、工艺简单，但无法获取长纤维，对碳纤维会造成一定的浪费.化学回收法是当前研究碳纤维循环利用的热点，主要是利用化学试剂将基体材料与碳纤维分离，可以获得较为完整的纤维，回收效率高，原料再利用性强.但也随着新基体材料种类的引入，给原有回收技术增加了难度，比如环氧树脂等这类热固性塑料的存在，使得碳纤维增强塑料（CFRP）可能难以回收，Okajima 等［45］研究了过热和超临界丙酮工艺，对有环氧基树脂的碳纤维回收取得良好效果，提高合理化环氧树脂分解速率.

化学回收法是碳纤维回收利用最为可行的方法，但诸多化学试剂的应用可能会造成环境上的压力，另外在化学试剂使用中投入的成本与回收的碳纤维产生的效益需要平衡.为了更好地节约成本，使用低成本的原材料是扩大碳纤维应用的直接方法（如木质素是可替代的低成本材料）.

混杂复合材料是另一种节约碳纤维应用的方法，它可以将碳纤维与不同复合材料按照不同的铺层顺序混杂在一起，既能大大节省碳纤维的使用量，又能根据混杂的材料不同、混杂比不同、材料铺层的顺序不同制造出满足不同使用条件的“新材料”.东华大学张辰等［46］将玻璃纤维与碳纤维混杂取得了良好的抗冲击效果.吉林大学杨猛［47］研究了碳纤维-玄武岩纤维最优混杂比和不同铺层组合材料的力学性能，并将混杂材料替换金属前机舱盖板，取得了良好的轻量化效果，还能有效降低碰撞时的HIC值.混杂复合材料的研究受材料物理特性的制约较大，材料应用时的工艺过程复杂，如果简化材料制备工艺，使材料得以批量化生产，汽车轻量化将取得非常可观的效果.

工程塑料具有重量小、比强度高等优点，且具有可回收性，回收利用后仍具有高使用性能，是理想的节能环保减重材料，用作减轻车重的材料可减少零件40%的重量，成本也可以降低40%［48］.工程塑料广泛应用于车身面板、轮毂盖、保险杠、挡泥板、仪表盘、前端框架、门板、流体系统等［49］.随着轻量化需求的增加，工程塑料需求量也不断扩大，材料性能也在提升，工程塑料已经从早期的装饰件向结构功能件发生转变，汽车的塑料用量是衡量汽车生产技术水平的标志之一［59］.

4.1 尼龙

以尼龙为代表的工程塑料是汽车制造中常用塑料，尼龙（PA）是一种性能优异的工程塑料，化学性质稳定，具有良好的耐热、耐油、阻燃、耐磨、冲击韧性等性能［50］，广泛应用于汽车油液气体输送的管路、扎带、盖板件和线束接头、线束卡口等.万星荣［51］研究了尼龙材料管路设计布局方法，应用于新能源汽车电池冷却液管路，采用PA12 材料比采用EPDM 橡胶材料管件壁厚减薄大半，材料重量减轻约65%，且在冬季电池加热方面有较好的保温效果.汽车用扎带要求使用耐-40℃低温条件，需要材料具备良好的低温韧性和流动性，陆大光等［52］进行了PA66 材料添加增韧剂改性实验，添加13%EPDM 增韧剂满足低温韧性使用条件，又添加25%比例低黏PA66、EPR24 改善流动性，获得满足汽车耐低温要求的尼龙扎带料材料.

4.2 聚丙烯

聚丙烯（PP）材料以其耐寒、抗老化、耐刮擦等特性受汽车市场青睐，常用于汽车内外装饰部件，其成本较低，为扩大应用，PP 材料一般作为基体材料与玻璃纤维、碳纤维等增强材料混成具备更优性能的复合材料，是良好的以塑代钢材料，在汽车大型面板件、前端、尾门、翼子板、保险杠等部件中具备更好性能，图5 是某车用PP-LGF30 混合EPDM橡胶取代SPCC 金属材料制作的轻量化后尾门，总重量减轻近30%，且比金属尾门具备更好的安装性能、抗压刚度，加工难度小，节约加工成本.保险杠具有缓冲碰撞冲击力作用，对保护车辆及车内人员等有重要作用，与传统的金属保险杠材料相比，PP材料的性能更加稳定，具有轻质高强的特点，能够提升汽车保险杠的安全性能，改善外观美感，对行人具有较高的保护性.

图5 PP-LGF30材质轻量化的后尾门

对聚丙烯材料回收利用以及改性研究是当前研究的重点课题.董婧晗等［53］研究了回收聚丙烯用量对再生聚丙烯力学性能的影响，发现10%混入比能保持良好的力学性能，可用作汽车保险杠材料.赵一权等［54］研究发现回收聚丙烯含量低于30%的再生聚丙烯材料各项强度及塑性保持率均维持在90%以上，这对汽车内外饰件材料循环利用、节约成本具有重要意义.Wu 等［55］研究熔融共混技术制备聚丙烯（PP）/海泡石纳米复合材料发现，适量的纳米海泡石能有效降低PP 的结晶度和收缩率，有望制备更优性能的轻量化材料，而且海泡石有较好的阻燃作用，是用于汽车内饰件的理想材料.

4.3 聚氨酯

聚氨酯材料成本低廉，具有良好的隔热、隔音、吸振、绝缘、轻质、回弹性等特点，用作汽车隔音降噪、填充材料，对提高舒适性具有重要作用，常以塑料和弹性体形态满足不同使用条件，聚氨酯泡沫塑料重量轻，有较好的回弹性，常用作头枕、靠背、坐垫等；塑料弹性体聚氨酯具有较好的耐磨性、抗老化和抗冲击性，可用作轮胎、轴承套、减震垫等复杂工况部件.Shaaban 等［56］利用聚氨酯泡沫设计赛车用碰撞衰减器，具有良好的吸能性，有效提高耐撞性.Moon 等［57］对比三种不同硬度的聚氨酯泡沫和记忆泡沫与凝胶制备多层座椅坐垫，为座椅设计提供了满足长期舒适性的汽车座椅设计材料.但普通聚氨酯泡沫内含有机溶剂，需要开发低污染聚氨酯泡沫.熊康等［58］采用不含有机溶剂的低污染配方合成聚氨酯泡沫，这种环保配方如果能够大批量生产，在汽车内饰件制造中将发挥重大作用.

汽车上应用的塑料主要为纤维增强体改性塑料，这类塑料已在保险杠、前端框架、尾门、轮毂等有所应用，而且前端框架、尾门内外板、装饰板等塑料件大都采用一体化注塑成型工艺，加工效率高，应用前景好.

材料和结构轻量化是汽车轻量化的主要措施，在结构设计方面，减重空间十分有限，而铝合金、镁合金、复合材料等新材料的开发应用则更具减重潜力，然而这些材料仍存在各自的不足：铝合金的综合性能较好，成本也较镁合金、碳纤维等低廉，但在减重比例上，又略次于镁合金和碳纤维，开发超高强铝合金新材料是克服铝合金材料自身不足的有效手段.镁合金的加工成型性差、耐蚀性不足等问题突出，加之我国的镁合金制备技术落后，即便我国镁储备量大，但镁合金的使用量仍落后其他先进国家.碳纤维的生产制备成本远高于其他材料，混杂材料的制备可以减少碳纤维的使用，但并没有从根本上解决碳纤维成本高的问题.开发新工艺、材料循环使用，节约原材料成本是扩大碳纤维材料在汽车行业使用规模的主要途径.目前，塑料件的应用大都集中在汽车内外饰件，要加强对特种塑料的研发，将塑料引入更多的汽车构件中.

此外，汽车轻量化更倾向于多材料一体化成型技术.材料拼接技术、3D 打印技术现已支持多材料打印，但工业应用尚未普及，未来多材料一体化成型技术在工业应用的普及将对汽车产业产生巨大影响.结构设计结合遗传算法、多目标多材料拓扑优化等应用也是汽车轻量化不可缺少的环节，在未来轻量化中的作用将更大，汽车轻量化程度也将成为决定车企核心竞争力的条件.