新材料在汽车领域的应用与展望

　　摘要：随着生活水平和制造工艺的提高，居民对汽车性能要求越来越高，轻量化、低能耗和低排放是汽车发展的趋势。汽车材料的改进是轻量化的出发点，要想实现低能耗和低排放，就不能放松对性能更轻更好的汽车材料的研制。轻质材料、金属基复合材料及陶瓷等新材料的使用在一定程度上决定了汽车的发展趋势，是汽车技术发展的重要方面。

　　关键词：汽车新材料；轻质材料；金属基复合材料；陶瓷材料

　　中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）13-0010-02

　　随着用户对汽车要求的提高和汽车技术的发展，汽车的未来发展趋势一方面追求豪华和舒适，另一方面又需要轻便。为满足汽车在绿色化、轻量化上的主流发展趋势，构成汽车的材料也不断革新，使用新材料成为了大势所趋。降低构件质量、降低制造成本和耗能、提高材料比强度、提高构件使用寿命、节约合金元素、加快发展复合材料和特殊材料是未来车用材料发展的必然之势。

　　最近几年汽车制造业中材料的发展特点可概括为以下三个方面：（1）传统的铸铁材料、低碳钢仍占据主导地位；（2）新材料所占比重越来越大，如镁材、铝材、塑料等已经成为不可或缺的材料；（3）随着科技的发展，更多的新材料已用于生产车架、车身立体构架、保险杠、承载构架、排气管和发动机支承等，大大降低了生产成本。

　　下面将讨论各种新材料的特点。

　　1 结构性材料

　　1.1 轻质材料

　　降低汽车重量的关键是轻质材料的广泛使用。以车身的材料为例，车身要求高强度、高精度、高抗撞性，其质量约占汽车总质量的20%～25%。目前，钢材仍是批量生产的净车身的主要材料。其他材料如铝、镁合金材料所占比重将会越来越大。轻质材料的使用，可以明显降低车重。这样不但可以压缩汽车的制造成本，更可以大大降低汽车使用成本。

　　目前，车用轻质材料主要有金属轻质材料和非金属轻质材料两种。金属轻质材料主要有镁合金、铝合金、钛合金等；非金属轻质材料主要有工程塑料、玻璃钢等。

　　1.1.1 车用轻金属。

　　（1）镁合金。镁合金是汽车减重最具潜力的轻质材料之一。镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35%，铝材密度的66%。尺寸稳定性好、电磁屏蔽能力强、比强度高、阻尼性好是镁合金的主要优点。由于镁合金的振动阻尼能力好于铝和钢，并且尺寸稳定性更好，因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。德国大众公司的甲壳虫汽车的大量结构零件都使用镁合金。高延展性镁合金AM20、AM50和高纯度耐腐蚀镁合金AZ91D、AZ91E等的出现极大地提高了性价比。随着压铸技术的进步，目前已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件。

　　镁合金在冶炼时要使用保护气SF6，其温室效应是CO2的近2.5万倍，对环境的污染比较严重。不过，如果能将镁合金的各种切削和报废件充分再利用，则可降低能耗。另外，利用“生命周期评估”理论进行评价后发现，由于镁的比重小，减轻了汽车的重量，降低了油耗，使镁所占比重较大的汽车在行驶里程超过四万公里后，显示了对环境影响的优越性。

　　（2）铝合金。铝合金在发动机缸体、活塞、进气支管、气缸盖、变速器壳体、轿车的骨架、车身、座椅支架、车轮等部件的制造中有广泛应用。其密度约为钢的1/3，与汽车钢板相比，铝合金具有低密度、高比强度高、高热稳定性、耐锈蚀、易成形、可再生等优点，并且技术成熟。目前在汽车上，铝合金是仅次于钢材的第二大应用，可以生产各种冲压件、铸件及拉制型材。

　　德国大众公司的奥迪A2型轿车，车身骨架和外板结构全部采用铝合金，与传统钢材料比较，车身减重135公斤，约降低了43%，每百公里油耗降低3升。性能更优良的液压成型件和大型铝铸件的采用，使奥迪A8型轿车车身的零件数量缩减了21个，并且车身框架完全闭合，这种结构的车身与同类钢制车身相比不仅减重一半，还提高了扭转刚度。

　　一方面，铝合金都可以全部回收再利用，深受环保人士的欢迎。但另一方面，铝的成本较高，并且制造难度大，阻碍其在汽车领域的应用。奥迪A8采用了6000系列铝镁硅合金铝材作为车身钣金件，该种铝合金对纯度和工艺稳定性有很高的的要求。为了提高其强度，需在制造时采用连续退火热处理工艺，该生产线费用高、热处理能耗大。因此，为了进一步降低铝车身成本，需要开发新的铝合金材料。

　　（3）钛合金。目前，钛合金主要应用于汽车发动机中。钛合金的优势是，在密度上仅是铁的1/2，为4.5g/cm3，但比钢拥有更好的硬度和强度，且耐腐蚀性能好。因此，在汽车发动机中使用钛合金可以使部件更轻、更坚固、更耐腐蚀。同时，钛合金车身可以承受更大的作用力。但是，由于钛提炼困难，使其价格昂贵，现在还只能在赛车上应用，而普通汽车上使用较少。

　　1.1.2 车用非金属轻质材料。

　　在汽车行业的未来发展中，国内外发展的一大趋势是用高分子材料制造零部件。原因主要有三：一是减轻质量降低成本；二是一件零部件可以集中多项功能；三是部件设计方面有了广泛自由的空间。因此，高分子材料零部件已经不仅仅局限于内外装饰件，而是向车身结构件和覆盖件方向发展。有些汽车公司甚至正在用复合材料做承载力最大的底盘车架。这些应用在减量、降噪和提高耐蚀性等方面发挥了重要的作用。

　　（1）工程塑料。塑料的主要成分是树脂。其优点是密度小、易成形，表面还拥有优良的电镀、着色、铆接、植绒等特性，且耐腐蚀。工程塑料比普通塑料具有更优良的电性能、机械性能、耐热性、耐磨性、耐化学性、尺寸稳定性，比金属材料更轻、成型时能耗更少。20世纪70年代后，汽车工业中就广泛应用衬垫类、泡沫类、缓冲材料等塑料。

　　目前，工程塑料已被广泛应用于汽车领域。用于车身内外板生产的聚合物塑料包括GMT和SMC。GMT一般用于制造一些板件和复合件，侧门、保险杠和车顶盖等饰板则广泛使用SMC。其他应用较广的热塑性塑料包括PUR、PP、ABS、PVC、PA和PE等。 　　（2）玻璃钢。玻璃钢作为一种树脂基复合材料，运用在汽车部件上，其主要优点：一是质量轻，可以减少整车的质量；二是可以吸收更多的冲击能量，当发生撞车事故时，可以降低人员和车辆所受的损伤。另外，由于玻璃钢的强吸振功能，可以降低噪声和震动，从而提高舒适性；三是制造工艺简单，使设计和修改更加灵活，降低产品的开发设计周期和生产成本；四是具有良好的耐腐蚀性。在发达国家，玻璃钢在轿车和其他商务车上所占的比例越来越大。我国汽车行业目前使用玻璃钢部件也逐步增多，并形成了专门生产汽车玻璃钢零部件的厂家。随着研究和开发的不断深入，玻璃钢被更多的使用以达到节能减排的目的。可以肯定，玻璃钢今后在汽车上所占的比例将会越来越大。

　　1.2 金属基复合材料

　　金属基复合材料同时具有几种成分材料的综合性能，其是将非金属纤维、颗粒或晶须加入到金属基体中，并使其均匀分布。这样做的目的有两个：强化基体和改善材料的物理性能。金属基复合材料主要有颗粒增强型和纤维增强型，都使用粉末冶金和铸造生产。该材料制造过程、工艺和设备简单，可以用较低的成本铸造各种零件。

　　以前，金属基复合材料的主要应用是发动机活塞、气缸体、轴承、轴瓦和滑动体等。金属基复合材料在高性能汽车上的应用正不断取得成功。如汽车制动盘在使用性能更好的铝基复合材料后，质量可比过去通常使用的铸铁件减轻一半以上，并能缩短制动的距离。

　　1.3 陶瓷材料

　　陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀及特殊的导电与介电性能。陶瓷材料在汽车部件上的应用，可使运行特征得到改善并减轻汽车重量。

　　目前，在汽车发动机上使用陶瓷部件成为各个汽车生产商主要的研究方向之一。因其导热性很低，燃烧室不与外部环境发生热交换，使用陶瓷可制造绝热发动机。这种发动机的优点是质量轻、无需润滑和冷却水，从而提高热效率和输出功率，达到节能减排的目的。陶瓷发动机的主要材料是具有更好耐热性能的碳化硅及氮化硅类陶瓷。碳化硅类陶瓷基本进入了实用化阶段，经过硅元素烧结的烧结碳化硅材料可制造燃烧器等。因其抗弯强度，发动机的叶片、叶片围带等部件上可使用高氮化硅类陶瓷。赛隆陶瓷是Si-Al-O-N体系中的固溶体，高温性能优异，已经在发动机部件上得到应用。

　　具有高介电常数的钛酸钡等工程陶瓷，可是大幅缩小电容器的尺寸，利用其大电阻正温度系数，可使陶瓷电热器自动调节热源。铅钛和铅锆压电陶瓷可以应用于爆震传感器，另外，在一条压电陶瓷块的一端外均匀地融入适量纳米级的纤维金属电极，即可使其电功率输出值增加10倍。

　　2 建议和结论

　　随着我国居民生活水平的提高，汽车保有量大幅增加，因而在国民经济中，汽车工业的重要性越发显著。推动汽车工业技术发展的一个重要因素就是新材料的开发和应用。从发展车用新材料来说，主要有三个重点：（1）今后，汽车将向着电动化、智能化的方向发展，要大力开发符合这一发展要求的车用新材料；（2）新开发的结构和功能车用新材料要围绕整车低能耗、低排放的要求；（3）要紧跟国际先进车用新材料的发展步伐，通过开发拥有自主知识产权的车用新材料来提高汽车工业的整体水平。

　　参考文献

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　　[2] 俞洪.汽车材料[J].轻型汽车技术，1997，（5）.

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　　[4] 刘茜.满足汽车发展要求的零部件材料——塑料、铝和钢的应用情况[J].天津汽车，1997，（3）.

　　（责任编辑：吴 涛）