中汽中心首席專家孟憲明博士接受科技日報采訪：發展輕量化材料，助汽車減重增效
時間：2023-04-28
近日，安徽蕪湖舉行“2023國際汽車新材料大會”，眾多行業專家聚焦汽車材料輕量化問題展開熱烈討論。我公司首席專家孟憲明博士日前接受《科技日報》采訪，就輕量化領域發展環境、政策支持、應用前景等相關問題進行回答，以下是采訪全文《發展輕量化材料，助汽車減重增效》。
發展輕量化材料，助汽車減重增效
目前，汽車輕量化主要通過材料輕量化、結構輕量化、工藝輕量化等途徑實現，三者間相互作用相互影響。相較于結構和工藝的輕量化，材料輕量化帶來的效果更為立竿見影。然而取得材料輕量化的突破并非易事，要兼顧重量輕、強度高，同時還要控制成本。
◎科技日報記者 陳 曦
“春季不減肥，夏季徒傷悲”，最近一些人又開始了她們的“減肥大計”。對于很多愛美的女性而言減肥是一輩子的“事業”。但你或許不知道，和這些愛美女性一樣，汽車“瘦身”的腳步也從未停歇。通過使用一些輕量化新材料，在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高其動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染，已經成為世界汽車發展的潮流。
日前在安徽蕪湖舉行的“2023國際汽車新材料大會”上，專家聚焦汽車材料輕量化等問題進行了熱烈討論。
輕量化材料需兼顧重量、性能、成本
安全、低碳和環保已成為21世紀全球汽車行業發展的主流趨勢，我國“雙碳”政策的出臺加速了汽車低碳化發展的進程。
“汽車整備質量的降低能夠有效減少能耗，因此汽車輕量化在我國也受到了重視與發展。”中國汽車技術研究中心有限公司汽車工程研究院輕量化領域首席專家孟憲明博士介紹。特別是新能源汽車是我國汽車工業發展的重中之重。搭載了“三電”系統和大量智能化設備的新能源汽車，相較于傳統汽車對輕量化具有更為迫切且現實的需求。此外，在“里程焦慮”和“降本訴求”下，新能源汽車也對整車輕量化提出了更高要求。
目前，汽車輕量化主要通過材料輕量化、結構輕量化、工藝輕量化等途徑實現，三者間相互作用相互影響。“相較于結構和工藝的輕量化，材料輕量化帶來的效果更為立竿見影，并且能夠極大地帶動輕量化工藝及結構的發展。”孟憲明認為。
然而取得材料輕量化的突破并非易事，要兼顧重量輕、強度高，同時還要控制成本。在“嚴要求”下，能進入“決賽圈”的汽車輕量化材料依據材料類型可分為輕量化金屬材料與輕量化非金屬材料兩大類。
輕量化金屬材料以超高強鋼和輕合金材料為主。
其中超高強鋼材料能夠在保證零部件及整車結構強度的前提下，降低零部件厚度，達到汽車輕量化效果，被廣泛應用在車身主承力件例如A/B/C立柱、縱梁以及門檻等關鍵承力部位。“但想要擴大超高強鋼材料的應用場景還需在回彈控制、氫致延遲斷裂特性等方面進一步攻關，以提高其應用性能和場景。”孟憲明說。
汽車輕合金材料主要以鋁合金和鎂合金為主。鋁合金具有強度高，易成形加工，且具有良好的耐腐蝕性和可回收性，是汽車制造業性價比最高的輕量化材料之一，廣泛應用于發動機制造、輪轂、副車架以及次承力結構件。不過缺點是成型過程中存在較高的廢品率，并且鋁合金原材料價格較高，連接工藝門檻較高。鎂合金作為第二大車用輕合金材料，比鋁合金具有更低的密度和更優異的輕量化表現，目前主要應用于輪轂輪輞、儀表板等部位，但其進一步的大范圍應用仍需解決腐蝕耐候問題。
輕量化非金屬材料主要以高性能塑料和復合材料為主，在汽車上主要分布在內飾件及部分外飾覆蓋件。
高性能塑料主要以PP、PA6、PA66、PU等工程塑料和共混塑料為主，廣泛應用在中控臺、儀表盤以及門護板等內飾區域，這類材料由于質量占比較少，因此輕量化空間較小，更多的是通過改性設計提升其觸感、VOC、抗菌等功能特性。
車用復合材料目前主要以玻纖和碳纖維復合材料為主，在涉及行人保護的車身覆蓋件以及尾門等部位可以代替原有鋼質覆蓋件。
“碳纖維復合材料的比強度和比模量高于傳統金屬材料3—5倍，是最理想的輕量化材料之一，在車身結構加強及次承力零件輕量化領域有望得到廣泛應用。”孟憲明介紹，但由于碳纖維原絲成本高，成型工藝不成熟，目前依舊難以在汽車行業中大規模應用。
發展過程中機遇與挑戰并存
為了推動汽車輕量化材料的發展，我國也相繼出臺了各種相關措施予以支持。
2020年國務院辦公廳印發的《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》中提到，要求加強新材料技術的布局，大力支持碳化硅功率器件、輕量化材料、低成本稀土永磁材料等研發，以支持新能源汽車的發展；2021年6月工信部發布的《汽車產品生產者責任延伸試點實施方案》強調，要加強綠色產品研發，增加低油耗、低排放及新能源汽車生產比例，加快推進整車及零部件輕量化技術研究與應用。
除了國家層面出臺的政策外，全國各省市也相繼出臺了相關政策促進汽車輕量化材料發展。
2022年山西省工業和信息化廳發布了《山西省有色金屬企業改造提升2022年行動計劃》，2021年黑龍江省人民政府發布了《黑龍江省中長期科學和技術發展規劃（2021—2035年）》，江蘇省工業和信息化廳發布了《江蘇省“十三五”汽車產業發展規劃》，天津市工業和信息化局發布了《天津市制造業高質量發展“十四五”規劃》，均提出了要加快發展輕量化材料。
在各項政策的加持下，我國在汽車輕量化材料方面取得了很大的進步，特別是在新能源汽車賽道，我國和歐美國家站在了同一起跑線上。
“不過我國汽車輕量化材料在生產制造工藝技術及其裝備等方面，仍與國際先進水平有一定的差距。”孟憲明介紹，目前高端輕量化材料生產技術被美國、歐盟、日本等掌控。以纖維復合材料為例，我國僅中復神鷹、江蘇恒神等企業能生產較高水平的碳纖維，但與日本東麗、帝人以及美國赫氏等國際企業相比，產品性能差距明顯。
我國輕量化材料應用與評價體系目前也不夠完善。輕量化是一個多學科多技術的交叉領域，想要形成完善的標準、評價體系用來指導輕量化過程，是一項具有巨大挑戰的工作，目前在全球范圍內均未形成成熟體系，我國在該體系建設方面相較于汽車工業發達國家稍有落后。
此外，我國輕量化材料產業鏈成熟度也有不足。一方面，由于技術不成熟，導致輕量化新材料研發、制造和加工成本高；另一方面，產業應用周期長，人員、設備等配套不完善，進一步限制了輕量化新材料的應用。
以結構、工藝創新共同推進產業化應用
“雙碳”目標的確定，給新能源和智能網聯汽車發展帶來新的機遇，汽車產品競爭進入新階段，整車輕量化是必爭之地，未來將實現材料、結構、工藝、性能四方面協同發展。
“新材料研發、新結構設計、低碳短流程新工藝實現、性能評價以及表征技術的共同進步，才能將合適的材料應用于整車合適的位置，用合適的工藝來實現其結構設計性能，共同推進汽車輕量化材料大范圍產業化應用。”孟憲明說。
與此同時，加快生產制造設備國產化與提升產品質量穩定性，將有力促進汽車輕量化材料的快速發展。孟憲明介紹，中國汽車技術研究中心有限公司在汽車輕量化領域圍繞一體式壓鑄、一體式沖壓成型、復材RTM成型以及多材料混合車身等先進技術開展了研究與創新，并形成了多項成果，將持續為我國汽車行業輕量化技術進步提供助力。
此外，隨著數字時代的到來，數據庫建設與數據共享生態在汽車輕量化材料創新方面的重要性日益凸顯。孟憲明表示：“數據庫作為新材料研發、結構設計、制造工藝開發、生產過程管控等汽車產品全生命周期中最重要的支撐，是現代汽車技術發展的基石之一，建立打通結構設計—性能開發—工藝實現—生產制造用多材料混合車身數據庫，形成全行業數據庫共享生態，能夠有效提升我國汽車產品質量，加快汽車產業發展。”