全球交通用鋁合金技術發展態勢研究
——基于CiteSpace 知識圖譜分析

供稿|黃潔，倪誠蔚，普康晶，楊晶媛 / HUANG Jie, NI Chengwei, PU Kangjing, YANG Jingyuan

內容導讀

交通運輸設備輕量化趨勢愈加明朗，而鋁合金因其多種優良特性已成為實現輕量化交通的重要材料。本文通過文獻計量學方法，著重分析全球交通用鋁合金領域發文量、機構、國家及關鍵詞等信息，繪制形成可視化網絡圖譜。結果顯示：研究主要集中在汽車和航空領域，包括鋁基復合材料和焊接技術；船舶用鋁合金的研究重點為鋁合金表面涂層；而軌道交通用鋁合金的研究數量相對較少，且與汽車、航空領域的文獻有較多交叉，表明其部分技術與汽車、航空用鋁合金具有通用性。

近年來，全球交通運輸業呈現出快速發展的態勢，由簡易、單一模式轉向復雜、多元模式[1]。隨著能源需求與環境污染日益嚴峻，節能減排及提高運輸效率已成為交通運輸業的關注重點。減輕交通工具自重是實現汽車節能減排的有效措施之一，在保障安全系數的基礎上，鋁材料在交通設備中的使用可比鋼鐵材料減輕自重30% 以上，這使其成為實現交通運輸輕量化的理想材料。交通用鋁合金主要包括車用鋁合金、航空用鋁合金、軌道交通用鋁合金及船舶用鋁合金等[2]。隨著鋁工業技術的發展和進步，鋁合金在交通運輸業的應用將越來越廣泛。

研究方法與研究數據源

研究數據篩選

交通用鋁合金領域知識譜繪制的數據獲取源于Web of Science 數據庫核心合集SCI-EXPANDED、CPCI-S、CPCI-SSH、ESCI，采用主題檢索方法，檢索策略為：主題=(aluminum alloy and (Traffic or automobile or bodywork or ship or vessel or aviation or rail))，檢索時間范圍為2010-01-01—2021-06-01，共檢索到交通用鋁合金領域相關論文1932 篇，去除相關的綜述和報道，將數據集的范圍精煉到研究論文和會議論文，則交通用鋁合金領域相關論文數量為1851 篇。

研究方法

文獻計量學能根據文獻體系和文獻計量特征等參數，利用數學、統計學等定量方法對文獻的分布規律、數量關系和文獻之間的內在聯系進行統計分析，從而揭示科學技術的某些規律、特征和結構[3]。CiteSpace 知識圖譜能夠將一個知識領域來龍去脈的演進歷程集中展現在一幅引文網絡圖譜上，并把圖譜上作為知識基礎的節點文獻和共引聚類所表征的研究前沿自動標識出來，具有“一圖譜春秋，一覽無余；一圖勝萬言，一目了然”兩大特征[4]。本研究通過文獻計量學方法，采用CiteSpace 軟件對Web of Science 數據庫中2010—2021 年有關交通用鋁合金技術創新領域的文獻進行統計分析，根據發文量、機構、國家及關鍵詞等信息，繪制形成可視化網絡圖譜，梳理全球交通用鋁合金領域研究現狀、熱點和趨勢。

分析與結果

論文基礎分析

檢索到交通用鋁合金領域論文1851 篇，論文共被引頻次為12069 次，平均每篇被引次數為6.52 次。從數據上來看（圖1 和圖2），近年來，針對交通用鋁合金的研究一直被業界關注。根據每年論文發表數量變化分析，2018 年論文發表同比增長率最高，2019 年、2020 年同比增長率較低，但這3 年的論文發表數在近十年間仍處于領先水平。每年的引文數呈指數級增長趨勢，表明業界對該領域保持著高昂的研究熱情，理論研究及成果轉化效果顯現，也說明每年都有新技術涌現，不斷完善和豐富該領域的研究內容與成果，未來發展態勢較好。

圖1 2010—2021 年發表的論文量

圖2 2010—2021 年的引文量

對交通用鋁合金研究領域論文進行數據分析發現：2010—2021 年發文量排名前10 的國家分別是印度、中國、美國、韓國、日本、德國、波蘭、俄羅斯、土耳其和英格蘭（見表1）。

表1 交通用鋁合金技術領域發文量排名前十的國家

研究排名前10 的機構為：哈爾濱工業大學、印度國立理工學院、中國科學院、安娜大學（印度）、印度理工學院、西北工業大學、西南交通大學、中南大學、北京科技大學和印度韋洛爾理工大學（見表2）。

表2 交通用鋁合金技術領域發文量排名前十的研究機構

從文獻數據的分析來看，印度和中國在交通用鋁合金領域的發文數量占比超過了總數的50%，研究排名前10 的機構也多集中于中國和印度。中國是全球鋁主產國，對疫情的控制得當，恢復生產迅速，而印度是亞洲除中國以外最大的鋁生產國家，國內有三水鋁土礦資源，分布在奧利薩邦、安得拉邦、吉吉拉特邦等地區，且鋁工業上游產業發展相對密切，擁有3 家大型的上市鋁企業集團，分別是韋丹塔資源（Vedanta）、印度鋁工業公司（Hindalco）和印度國家鋁業公司（Nalco），這3 家公司在疫情封鎖時期，上中游業務幾乎都在正常運轉，甚至有擴張計劃[5]。因此，鋁工業領域中，中國和印度的交通用鋁合金的研究均相對比較集中。此外，美國、德國、俄羅斯等老牌工業強國在該領域的研究仍保持優勢地位。

技術主題聚類分析

基于Web of Science 文獻引擎，使用CiteSpace對2010—2021 年區間內搜索出的1851 篇交通用鋁合金領域的文獻進行可視化分析，為了保證聚類結果明顯，盡可能地將數據集中的文獻納入分析范疇，將數據集分為11 個切片，以每1 年為一個切片，將交通用鋁合金領域文獻按被引次數排序，保留每年被引頻次最高的45 篇文獻（topN 45），進行關鍵詞共現聚類分析，以分析相關領域內技術的研究重點和演化過程，推測技術發展方向。

從技術主題聚類圖譜（圖3）中可以看出，所示的幾個大聚類分別為：#0 有限元模擬；#1 金屬基復合材料；#2 摩擦攪拌焊；#3 極限強度；#4 鑄壁厚度；#6 碳纖維增強鋁；#7 激光；#8 雙金屬擠壓；#9 元件（聚類標簽編號越小，聚類技術主題涵蓋技術布局越完整）[6]。幾大聚類反應出在2010—2021年間，交通用鋁合金的相關文獻主要研究及應用的方向。

圖3 交通用鋁合金領域技術主題聚類

為分析技術的演化過程，在生成關鍵詞和主題詞共現聚類圖譜之后，將聚類編號作為Y軸，引文發表年份作為X軸，得到共現詞網絡的時間線圖譜（圖4）。

圖4 交通用鋁合金領域技術演變時間圖譜

時間線圖譜，可以展現各個聚類（即子領域）發展演變的時間跨度和研究進程。從圖4 可以看出，4 個聚類（#1 金屬基復合材料、#3 極限強度、#4 鑄壁厚度、#7 激光）的研究從2010 年一直持續到了2021 年；1 個聚類（#2 摩擦攪拌焊）研究持續到2020 年；1 個聚類（#0 有限元模擬）研究持續到2019 年，說明這些技術一直是該領域研究熱點。而聚類#9 元件研究、#8 雙金屬擠壓、#6 碳纖維增強鋁研究分別停止于2010 年、2014 年、2017 年，說明業界對這些技術研究熱情減退，不再是該領域研究重點。關鍵詞的頻次（Frequency）、中心度（Centrality）在一定程度上能夠顯示該領域的研究熱點。頻次表示關鍵詞出現的次數，中心度表示一個關鍵詞連接另外兩個關鍵詞之間最短路線的次數，中心度越高，表示該關鍵詞越重要。對Web of Science 數據庫中交通用鋁合金領域文獻相關技術主題聚類進行統計分析，將技術點關鍵詞按中心度，從高到低的順序排列保留與交通用鋁合金領域關聯較大的技術點，得到表3。

表3 技術主題研究熱點統計

根據上表統計出的研究熱點分析，2010—2021年間，Web of Science 數據庫中，關于交通用鋁合金研究熱點主要集中在鋁合金及其復合材料焊接（1.金屬基復合材料、3.攪拌摩擦焊接、12.攪拌鑄造、19.粉末冶金、23.基體復合材料）、力學性能（2.機械性能、5.抗拉強度、6.回彈、8.數值模擬、9.有限元分析、10.擠壓、13.拉伸性能、14.摩擦）、微觀結構（4.優化、7.微觀結構、17.成形性、20.石墨）、耐蝕性及表面處理（11.腐蝕、15.熱處理、16.圖層、18.電阻、21.表面處理、22.表面粗糙度）等方面。

研究現狀分析

結合共現詞網絡和技術熱點關鍵詞分析近10 年交通用鋁合金相關技術領域的研究現狀，可分為以下4 類：

（1）汽車用鋁合金研究

汽車輕量化是全球汽車工業的發展方向，而鋁合金具有密度小、成形性好、耐腐蝕性能優良等特點，成為實現汽車輕量化的重要途徑[7]。汽車用鋁基復合材料和鋁合金焊接技術優化是該領域研究的兩個重點。汽車用鋁基復合材料的研究熱點主要包括：二硼化鋁鈦復合材料的制備、組織和力學性能研究；碳化硅增強鋁基納米復合材料研究；碳納米管增強鋁基復合材料拉伸性能研究；陶瓷粉末增強鋁合金復合材料力學性能研究；攪拌鑄造鋁基復合材料的硬度和磨損特性研究；攪拌鑄造石墨顆粒增強鋁基復合材料的力學性能研究等[8-13]。汽車用鋁合金焊接技術優化的研究熱點主要包括：車用鋁與鋼的超聲波點焊研究；工藝參數對鋁合金攪拌摩擦焊接頭抗拉強度的影響研究；攪拌摩擦焊（FSW）連接鋁和鎂合金研究；焊接時間對鋁-碳纖維增強塑料攪拌摩擦點焊疲勞性能的影響研究；異種鋁合金攪拌摩擦焊工藝參數的建模與優化研究等[14-18]。

（2）航空用鋁合金研究

在航空工業中，鋁材是首選的輕量化結構材料，用量達到80%以上，其中常用的鋁合金為2xxx系和7xxx 系，廣泛應用于航空飛行器結構的制造，機身的蒙皮、框架、壁板、油箱、發動機和起落架等部件[19-20]。從發表的研究論文來看，航空用鋁基復合材料優化和焊接改進是該領域的研究重點。航空用鋁基復合材料優化的研究熱點包括：航空航天用鋁鋰基復合材料研究；7075 鋁基復合材料性能研究；TiB2顆粒的分布及其對A390 合金力學性能的影響研究；氮化鋁合金基復合材料合成及力學性能評價研究；B4C 和SiC 含量對航空用鋁基復合材料力學性能的影響研究等[21-25]。航空用焊接過程改進的研究熱點包括：7050 鋁合金攪拌摩擦焊焊縫溫度分布及力學性能的改善研究；無涂層激光沖擊強化對A6061 鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞性能的改善研究；新型鋁鋰合金光纖激光焊接組織與力學性能研究；鋁合金機身面板用雙面激光束焊接T 型接頭的工藝、微觀結構和機械性能研究；航空級鋁合金攪拌摩擦焊的熱循環、力學和冶金性能研究等[26-30]。

（3）軌道交通用鋁合金研究

軌道交通裝備輕量化是現代高速列車升級的必由之路。目前，各國的高速列車車體已基本采用鋁合金構架。此外，車體頂蓋、齒輪箱箱體等諸多部件也已采用鋁材制造[31]。軌道交通用鋁合金焊接技術一直是該領域的研究重點，其主要研究內容涉及：6005A-T4 鋁合金薄板攪拌摩擦焊接頭的組織與力學性能研究；不同形狀工具和工藝參數對6061 鋁合金攪拌摩擦焊接缺陷和力學性能的影響研究；鋁夾層激光焊接力學性能研究等[32-34]。

（3）船舶用鋁合金研究

鋁合金除了具有密度低、比強度高、良好的加工及焊接性能成為造船工業很有發展前景的材料之外，其具有比鋼更優異的耐腐蝕性能使其在船舶工業中成為主要結構材料之一[2]。近10 年，船體材料選擇和船舶用鋁合金表面涂層是該領域的研究重點。船體材料選擇研究熱點包括：SiC、Al2O3和赤泥增強6061 鋁合金基復合材料磨損行為的比較研究；陶瓷增強體對Al-Cu 合金-金屬基復合材料微觀結構、力學和摩擦學性能的影響研究；船用鋁合金在海水中的力學和電化學特性研究等[35-37]。船舶用鋁合金表面涂層研究熱點包括：鋁合金保護用鎂基犧牲陽極（富鎂底漆）的研制及其性能研究；船用Al5083 鋁合金超疏水涂層的空蝕行為研究；Al2O3氧化涂層用于鋁合金船體耐腐蝕性研究；WC-Co-Cr熱噴涂層對Ni-Al 青銅合金腐蝕性的影響研究；使用等離子體電解氧化(PEO)涂層鋁合金在海洋環境中的抗腐蝕性研究等[38-42]。

研究趨勢分析

為繼續分析本數據集中交通用鋁合金的研究熱點持續度，進行了Burstness 分析，得到圖5。

圖5 交通用鋁合金領域技術點突變圖譜（陰影表示持續時間）

Web of Science 數據庫中，取Minimum Duration為3，得到23 個突變詞（Keywoeds），表示交通用鋁合金研究領域熱度持續3 年以上的研究點有23 個，而近5 年的研究，主要集中于鋁合金的制造（Frabrication）、數學方差分析（Anova）和碳纖維增強鋁（Graphite）3 個方面，表明鋁合金和新型納米碳纖維結合，制造新型實用鋁合金復合材料已成為目前交通用鋁合金技術發展的一個研究熱點。

結束語

本文通過文獻計量學方法，以Web of Science數據庫核心合集為數據源，對全球交通用鋁合金領域的發文量進行統計與分析，在研究該領域技術整體發展態勢的基礎上，采用CiteSpace 軟件繪制形成交通用鋁合金領域技術發展態勢和研究熱點可視化網絡圖譜。綜上分析，交通用鋁合金的研究主要集中在汽車和航空領域，包括鋁基復合材料和焊接技術研究，以期提高鋁合金材料性能；船舶用鋁合金的研究重點為鋁合金表面涂層的研究，用以提高船體對海洋微腐蝕環境的耐受性；而軌道交通用鋁合金的研究數量相對較少，且與汽車、航空領域的文獻有較多交叉，表明其部分技術與汽車、航空用鋁合金具有通用性。

在“碳達峰”、“碳中和”指引下，我國力爭于2030 年前控制二氧化碳的排放達到峰值，2060 年前實現碳中和，交通運輸業是推動節能減排的重要產業。而鋁合金材料作為交通工具輕量化的理想材料，可有效降低油耗、提高運輸效率，對減輕環境污染有著重要意義。近年來，我國交通用鋁合金技術和產業得了到迅速發展，論文發表數量及發文機構占比，皆居世界前列。但與歐美等發達國家相比，我國鋁合金材料技術研發水平仍存在一定差距。因此，我國應從國家層面加強宏觀指導，繼續加大鋁合金材料科研投入，積極開展基礎研究及前沿研究，深化國際間科技合作與交流，加強人才培育與引進，推動我國交通用鋁合金材料高質量發展。