現(xiàn)代汽車車身除滿足強度和使用壽命的要求外，還應滿足性能、外觀、安全、價格、環(huán)保、節(jié)能等方面的需要。在上世紀八十年代，轎車的整車質(zhì)量中，鋼鐵占80％，鋁占3％，樹脂為4％。自1978年世界爆發(fā)石油危機以來，作為輕量化材料的高強度鋼板、表面處理鋼板逐年上升，有色金屬材料總體有所增加，其中，鋁的增加明顯；非金屬材料也逐步增長，近年來開發(fā)的高性能工程塑料、復合材料，不僅替代了普通塑料，而且品種繁多，在汽車上的應用范圍廣泛。本文著重介紹國內(nèi)外在新型材料應用方面的情況及發(fā)展趨勢。
車身新材料的種類
高強度鋼板
從前的高強度鋼板，拉延強度雖高于低碳鋼板，但延伸率只有后者的50％，故只適用于形狀簡單、延伸深度不大的零件?，F(xiàn)在的高強度鋼板是在低碳鋼內(nèi)加入適當?shù)奈⒘吭?，?jīng)各種處理軋制而成，其抗拉強度高達420N/mm2，是普通低碳鋼板的2～3倍，深拉延性能極好，可軋制成很薄的鋼板，是車身輕量化的重要材料。到2000年，其用量已上升到50%左右。中國奇瑞汽車公司與寶鋼合作，2001年在試制樣車上使用的高強度鋼用量為262kg，占車身鋼板用量的46%，對減重和改進車身性能起到了良好的作用。
低合金高強度鋼板的品種主要有含磷冷軋鋼板、烘烤硬化冷軋鋼板、冷軋雙相鋼板和高強度1F冷軋鋼板等，車身設計師可根據(jù)板制零件受力情況和形狀復雜程度來選擇鋼板品種。
含磷高強度冷軋鋼板：含磷高強度冷軋鋼板主要用于轎車外板、車門、頂蓋和行李箱蓋升板，也可用于載貨汽車駕駛室的沖壓件。主要特點為：具有較高強度，比普通冷軋鋼板高15％～25％；良好的強度和塑性平衡，即隨著強度的增加，伸長率和應變硬化指數(shù)下降甚微；具有良好的耐腐蝕性，比普通冷軋鋼板提高20％；具有良好的點焊性能；
烘烤硬化冷軋鋼板：經(jīng)過沖壓、拉延變形及烤漆高溫時效處理，屈服強度得以提高。這種簡稱為BH鋼板的烘烤硬化鋼板既薄又有足夠的強度，是車身外板輕量化設計首選材料之一；
冷軋雙向鋼板：具有連續(xù)屈服、屈強比低和加工硬化高、兼?zhèn)涓邚姸燃案咚苄缘奶攸c，如經(jīng)烤漆后其強度可進一步提高。適用于形狀復雜且要求強度高的車身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如車門加強板、保險杠等；
超低碳高強度冷軋鋼板：在超低碳鋼（C≤0.005％）中加入適量的鈦或鈮，以保證鋼板的深沖性能，再添加適量的磷以提高鋼板的強度。實現(xiàn)了深沖性與高強度的結合，特別適用于一些形狀復雜而強度要求高的沖壓零件。
輕量化迭層鋼板
迭層鋼板是在兩層超薄鋼板之間壓入塑料的復合材料，表層鋼板厚度為0.2～0.3mm，塑料層的厚度占總厚度的25％～65％。與具有同樣剛度的單層鋼板相比，質(zhì)量只有57％。隔熱防振性能良好，主要用于發(fā)動機罩、行李箱蓋、車身底板等部件。
鋁合金
與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度?。?/SPAN>2.7g/cm3）、比強度高、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、可回收再生等優(yōu)點，技術成熟。德國大眾公司的新型奧迪A2型轎車，由于采用了全鋁車身骨架和外板結構，使其總質(zhì)量減少了135kg，比傳統(tǒng)鋼材料車身減輕了43％，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奧迪A8通過使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身零件數(shù)量從50個減至29個，車身框架完全閉合。這種結構不僅使車身的扭轉(zhuǎn)剛度提高了60%，還比同類車型的鋼制車身車重減少50%。由于所有的鋁合金都可以回收再生利用，深受環(huán)保人士的歡迎。
根據(jù)車身結構設計的需要，采用激光束壓合成型工藝，將不同厚度的鋁板或者用鋁板與鋼板復合成型，再在表面涂覆防腐蝕材料使其結構輕量化且具有良好的耐腐蝕性。
鎂合金
鎂的密度為1.8g/cm3，僅為鋼材密度的35％，鋁材密度的66％。此外它的比強度、比剛度高，阻尼性、導熱性好，電磁屏蔽能力強，尺寸穩(wěn)定性好，因此在航空工業(yè)和汽車工業(yè)中得到了廣泛的應用。鎂的儲藏量十分豐富，鎂可從石棉、白云石、滑石中提取，特別是海水的鹽分中含 3.7%的鎂。近年來鎂合金在世界范圍內(nèi)的增長率高達20％。
鑄造鎂合金的車門由成型鋁材制成的門框和耐碰撞的鎂合金骨架、內(nèi)板組成。另一種鎂合金制成的車門，它由內(nèi)外車門板和中間蜂窩狀加強筋構成，每扇門的凈質(zhì)量比傳統(tǒng)的鋼制車門輕10kg，且剛度極高。隨著壓鑄技術的進步，已可以制造出形狀復雜的薄壁鎂合金車身零件，如前、后擋板、儀表盤、方向盤等。
泡沫合金板
泡沫合金板由粉末合金制成，其特點是密度小，僅為0.4～0.7g／cm3，彈性好，當受力壓縮變形后，可憑自身的彈性恢復原料形狀。泡沫合金板種類繁多，除了泡沫鋁合金板外，還有泡沫鋅合金、泡沫錫合金、泡沫鋼等，可根據(jù)不同的需要進行選擇。由于泡沫合金板的特殊性能，特別是出眾的低密度、良好的隔熱吸振性能，深受汽車制造商的青睞。目前，用泡沫鋁合金制成的零部件有發(fā)動機罩、行李箱蓋等。
蜂窩夾芯復合板
蜂窩夾芯復合板是兩層薄面板中間夾一層厚而極輕的蜂窩組成。根據(jù)夾芯材料的不同，可分為紙蜂窩、玻璃布蜂窩、玻璃纖維增強樹脂蜂窩、鋁蜂窩等；面板可以采用玻璃鋼、塑料、鋁板和鋼板等材料。由于蜂窩夾芯復合板具有輕質(zhì)、比強度和比剛度高、抗振、隔熱、隔音和阻燃等特點，故在汽車車身上獲得較多應用，如車身外板、車門、車架、保險杠、座椅框架等。英國發(fā)明了一種以聚丙烯作芯，鋼板為面板的薄夾層板用以替代鋼制車身外板，使零件質(zhì)量減輕了50%~60%，且易于沖壓成型。
工程塑料
與通用塑料相比，工程塑料具有優(yōu)良的機械性能、電性能、耐化學性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等特點，且比要取代的金屬材料輕、成型時能耗少。二十世紀七十年代起，以軟質(zhì)聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、襯墊類、緩沖材料等塑料在汽車工業(yè)中被廣泛采用。福特公司開發(fā)的LTD試驗車，塑料化后的車身取得了輕量化方面的明顯成果（見表2）。
中國工程塑料工業(yè)普遍存在工藝落后、設備陳舊、規(guī)模小、品種少、質(zhì)量不穩(wěn)定的狀況，而且價格高，缺乏市場競爭力。工程塑料在汽車上的應用僅相當于國外上世紀八十年代的水平。如上海桑塔納轎車塑料用量僅為2.86kg/輛，紅旗CA7228型轎車為2.4kg/輛，而日本轎車平均為14kg/輛，寶馬則更高，為35.64kg/輛。但這種局面將很快被打破，由上海普利特復合材料有限公司投資新建、國內(nèi)最大的汽車用高性能ABS工程塑料生產(chǎn)基地日前在上海建成投產(chǎn)。此項目引進了世界先進的工程塑料生成線和試驗檢測儀器等設備，形成了年產(chǎn)15,000噸高性能ABS工程塑料的能力。
高強度纖維復合材料
高強度纖維復合材料，特別是碳纖維復合材料（CFRP），因其質(zhì)量小，而且具有高強度、高剛性，有良好的耐蠕變與耐腐蝕性，因而是很有前途的汽車用輕量化材料。碳纖維復合材料在汽車上的應用，美國開展的最好。
二十世紀八十年代后期，復合材料車身外覆件得到大量的應用和推廣，如發(fā)動機罩、翼子板、車門、車頂板、導流罩、車廂后擋板等，甚至出現(xiàn)了全復合材料的卡車駕駛室和轎車車身。據(jù)統(tǒng)計，在歐美等國汽車復合材料的用量約占本國復合材料總產(chǎn)量的33％左右，并繼續(xù)呈增長態(tài)勢，復合材料作為汽車車身的外覆件來說，無論從設計還是生產(chǎn)制造、應用都已成熟，并已從車身外覆件的使用向汽車的內(nèi)飾件和結構件方向發(fā)展。圖2為法國SORA公司為雷諾汽車公司開發(fā)的全復合材料轎車車身和重型卡車駕駛室。上海通用柳州汽車公司和東風公司計劃推出全復合材料車身的家庭用小轎車。
車身新材料應用的現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)外車身輕量化的研究方向是開發(fā)具有較高強度的輕質(zhì)高性能新材料及設計新的輕量化結構。通過多年的探索，已取得了新的進展。德國大眾九十年代末開發(fā)的路波TDI車型就是采用新設計、新材料、新工藝的綜合成果。
TDI所有車身部件都是輕質(zhì)金屬制成的，包括前擋泥板、車門、發(fā)動機罩和尾門，其中尾門的金屬外層是鋁質(zhì)，內(nèi)板是鎂制成的。汽車的內(nèi)部設備許多也是輕質(zhì)金屬制成的，如，座椅的框架由鋁制成，方向盤的內(nèi)骨架是鎂制成。乘客艙和發(fā)動機室之間組合隔板是鋁質(zhì)的。支撐結構通常也是由高強度的薄板金屬制成的。
為解決新材料的防腐蝕保護和連接，大眾采用創(chuàng)新的沖孔鉚接法、迭邊壓接、激光釬焊等技術。
路波TDI的自重為830kg，包括417kg（50.5％）的鋼、136kg輕質(zhì)金屬（16.4％，包括3.7kg的鎂）、116kg塑料（14.0％）。在保證車身抗扭剛度、使用壽命和安全性的前提下，車身的重量減輕了50kg，汽車的總重減輕了154kg。由于汽車自重大幅度減輕，使得百公里油耗降至2.99升，總能量消耗只是傳統(tǒng)汽車的一半。這意味著二氧化碳的排放量也將減少一半，碳氫化合物的排放量降到四分之一，是典型的環(huán)保型轎車，也是世界上批量生產(chǎn)的最經(jīng)濟轎車之一。
新材料應用的發(fā)展趨勢
新材料回收再用性的研究
研究汽車新材料的最終處置問題至關重要，從某種程度上講，關系到它的生存與發(fā)展。目前，汽車上約占自重25％的材料無法回收再用，其中三分之一為各種塑料，三分之一為橡膠，還有三分之一為玻璃、纖維。鑒于這種情況，世界各國都花費大量的人力、物力進行材料的回收再生問題的研究。現(xiàn)在可以通過三種途徑進行回收：顆?；厥?，重新碾磨；化學回收，高溫分解；能源回收，將廢棄物作為燃料。
德國在回收塑料等材料的法規(guī)是世界上最為完善的，其管理方式非常明確，即首先是避免產(chǎn)生，然后才是“循環(huán)使用”和“最終處理”。1991年規(guī)定回收塑料中的60％必須是機械性回收，另有40％可以機械回收，也可以采用填埋或能量回收的方式。通過十年的努力，現(xiàn)在的回收率已高達87％。日本是循環(huán)經(jīng)濟立法最全面的國家，其目的是建立一個資源“循環(huán)型社會”。為此，日本對廢舊塑料的回收利用一直保持積極態(tài)度。此外，日本還大力支持以廢塑料為主的工業(yè)垃圾發(fā)電事業(yè)。計劃到2010年在全國建立150個廢塑料發(fā)電設備。
減少材料的品種
未來汽車在工程塑料類型的選擇上將會發(fā)生巨大的變化。目前汽車使用的塑料由幾十種高分子材料組成，當前世界各大汽車公司致力于減少車用塑料的種類，并盡量使其通用化。這將有利于材料的回收再生和生態(tài)環(huán)境的保護。
降低成本
制約汽車車身新材料應用的重要因素是價格。作為主要新材料的高強度鋼、玻璃纖維增強材料、鋁和石墨增強，其成本分別為普通碳鋼的1.1倍、3倍、4倍和20倍。所以只有大幅度降低這些新材料的制造成本，才可能使諸多新材料進入批量生產(chǎn)。如玻璃纖維增強材料將在成本上成為鋼材的有力競爭者，雖然它的重量減輕有限，但價格卻能為用戶接受。石墨合成材料盡管性能良好，但因其成本居高不下，目前它在汽車工業(yè)上很難有所作為。
先進的制造工藝的研發(fā)
采用新材料與先進的制造工藝是相輔相成的，汽車工業(yè)正在努力開發(fā)新的制造方法，對傳統(tǒng)的工藝進行更新。例如：適用于輕量化設計的連接工藝今年來有所發(fā)展，如德國某汽車公司在大批生產(chǎn)的轎車上采用CO2激光束焊接，與傳統(tǒng)的焊接工藝相比，焊接成的高強度鋼板車身的強度提高了50％。又如，一些復合材料的SMC殼體的材料較厚，大約為2.5～3mm，限制了輕量化的幅度。法國雷諾公司采用新的A級表面精度的SMC模壓技術和低密度填料，減薄了零件厚度，使轎車殼體重量比普通SMC工藝下降了30％。
車身設計方法的革命
據(jù)歐洲汽車界人士預測，在今后十年中，轎車自身質(zhì)量還將減輕20％，除了大量采用復合材料和輕質(zhì)合金外，車身設計方法也將發(fā)生重大變化。
由于大量采用新型材料，傳統(tǒng)的車身結構及其設計方法可能不再適用，取而代之的是一種基于生物學增長規(guī)律的形狀優(yōu)化設計法，這種設計方法即能減少零件質(zhì)量，又延長了零件的使用壽命。此外，采用新的設計方法還能使車身零件數(shù)大幅度減少。如某車型的零件數(shù)已由400個減少到75個，質(zhì)量減輕30％。美國克萊斯勒汽車公司尚未投放市場的概念車由于采用了創(chuàng)新的優(yōu)化設計法，使整車自重降至544kg。這說明輕量化設計具有極大的潛力。
（轉(zhuǎn)載）
