非金屬材料在汽車輕量化中的應用淺析

楊振環　李秋魁　賀麗麗　張浩悅　晉飛

摘 要：在碳達峰碳中和的背景下，汽車輕量化具有極其重要的意義。文章從汽車輕量化的技術路線著手，對非金屬材料在汽車輕量化中的主要應用方向進行了梳理，主要包括：以塑代鋼、以塑代塑、薄壁化、微發泡。對每個技術方向例舉相關使用案例并進行了粗略分析，給出了現有技術汽車輕量化方向以及未來汽車輕量化趨勢， 最后對非金屬在汽車輕量化的方向進行了總結。

關鍵詞：新能源汽車 輕量化 非金屬材料 以塑代鋼 復合材料

1 前言

在國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見中，中國將力爭在2030年前實現二氧化碳的排放達到峰值，在2060年實現碳中和，而汽車產業是推動實現碳達峰碳中和的重要領域[1]。中國汽車工程學會主導修訂的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》圍繞著產業總體大技術發展方向制定了“1+9”技術路線圖，主要圍繞著節能汽車、純電動與插電混動、氫燃料電池、智能網聯、動力電池、輕量化、智能制造等多個分支。對于輕量化系數總體目標，要求2035年燃油乘用車輕量化系數降低25%，純電動乘用車輕量化系數分別降低35%[2]。對于新能源汽車來說，輕量化最重要的意義是提升續航里程，減少電池成本。由于電池增重較大的原因（增重約200kg），新能源汽車整車重量普遍高于同級別燃油車，當前消費者對純電動車始終有續航焦慮，所以對于輕量化系數優化的需求更加強烈。根據相關文獻，汽車每減重10%，可節省燃油6%～8%，純電動汽車重量每減少100Kg，續航里程可提升10%左右[3]。除此之外，更輕的整車質量，可帶來更好的制動性能、更佳的加速性能以及更大最大時速等動態參數，車輛減輕后，可以選用更小的電池，進一步擴大其優勢。

2 汽車輕量化方案

根據技術路線圖2.0，汽車輕量化主要分為結構優化、工藝優化、材料優化三個維度，如圖1所示。結構輕量化，根據設計變量及優化問題類型的不同，主要可分為拓撲優化、尺寸優化、形狀優化、形貌優化四種。在21世紀后，隨著CAE技術的成熟， CAE技術開始廣泛應用于汽車零部件及整車的設計，基于CAE分析的結構優后廣泛應用于汽車行業[4]。

工藝輕量化，是通過工藝實現材料性能的提升、形狀和形貌的優化等。為使高強度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料等新材料實現汽車輕量化，需要有相應的工藝來進行匹配。由特斯拉最先量產使用，目前各主機廠都在推廣的一體化壓鑄就是典型的結構輕量化與鋁合金工藝輕量化案例。其他工藝輕量化主要有：不等厚度軋制板，低壓鑄造成型，超高強度鋼熱沖壓成型，輥壓成型等。另一個方面，多種材料復合車身對車身連接技術帶來新的挑戰，為解決新能源汽車輕量化車身連接的主要技術路徑有：MIG/MAG焊、自適應電阻點焊、激光焊、激光電弧復合焊技術、攪拌摩擦焊、鎖鉚、沖鉚連接（TOX無釘和SPR有釘沖鉚）、自攻螺接FDS及膠接或聯合使用幾種方法完成輕量化車身連接[4]。

根據技術路線2.0規劃，我國自主輕量化技術開發與應用體系的構建，近期以完善高強度鋼應用體系為重點，中期以形成輕質合金應用體系為方案，遠期形成多材料混合應用體系為目標[2]。作為最主要的車身材料，高強度鋼目前已廣泛應用在車身，在圖3的哪吒S中高強度鋼的在車身中比例已達到76%以上，其中熱成型鋼的比例達到29%。在2023年上海車展展示沃爾沃XC90白車身，熱成型鋼比例達到了38%。

鋁合金相較于鋼，質量更輕，耐腐蝕性能更好。在門板、防撞梁、輪輞、電池PACK殼體等部位大量替代鋼使用，捷豹XJ、奧迪A8特斯拉Model S、寶馬7系都推出過全鋁車身，但過高的材料成本及較復雜的工藝限制了其進一步使用。

鎂合金是目前在工業應用中密度最低的材料（約1.8g/cm3），已有超過60多種鎂合金零部件在汽車上應用，如CCB骨架、方向盤骨架、座椅骨架、輪輞、門板框架等。鎂的力學性能不同于鋼和鋁，抗壓非對稱性、各向異性及應變率敏感性加大了其結構設計復雜性及工藝難度[5]，同時高昂的材料成本及較弱的防腐性能也限制了其使用。

3 非金屬材料在汽車輕量化中的應用

一般我們所說非金屬材料，是指塑料復合材料。相較于金屬材料，非金屬材料密度小、比強度高、耐腐蝕、成型性好、加工成本低、減振吸能性好、輕量化效果明顯等優點。非金屬目前已經廣泛應用于內外飾件及部件功能件（見表1）。

在汽車內外飾中，使用最多的高分子材為PP，PC+ABS，PU，ABS等，而PA、POM、PPO、PBT等更多的作為結構件或功能件在汽車中使用。非金屬材料因為其特有的性能，在汽車中所占比重越來越大。但對我國汽車行業來說， 非金屬材料應用尚處于初級階段， 發揮非金屬材料的輕量化巨大優勢， 汽車零件的以塑代鋼已成研究熱點。本文將按照非金屬材料輕量化側重點的不同將其分為4個方向進行分析：以塑代鋼、以塑代塑、薄壁化、微發泡。

3.1 以塑代鋼

為達到汽車結構件、功能件的強度等要求，通常需要對塑料進行增強改性。塑料強度提高最主要的技術方向是纖維增加復合材料的使用。纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Plastics，FRP）主要將纖維與黏結性樹脂進行膠合，再經過模具成型得到性能優異的復合材料，其中纖維材料對于FRP性能的提升起著重要的作用。目前，玻纖、玄武巖纖維、碳纖維、植物纖維、芳綸等纖維用于FRP在汽車領域受到廣泛關注與應用。按聚合物中纖維的長度可對FPR進行分類：短纖維增強材料（纖維長度0.2mm～10mm），長纖維增強材料（纖維長度10mm以上）和連續纖維增強材料。

電動汽車的核心部件是動力電池PACK，占整車質量18%～30%，而箱體質量約占電池包總質量的10%～20%，電池殼的輕量化是增加電動汽車續航最主要也是最高效的措施。電池PACK上殼體是目前纖維增強復合材料在汽車中應用最廣泛的部件。根據車型定位與設計要求，電池PACK上殼體由最初的鋼或鋁合金向各類復合材料轉換， LFT-D，PCM、SMC、HP-RTM、WCM、STM、CFPR等復合材料因各自優點在不同的新能源車型上均有使用。其中，采用萬華、科思創、亨斯邁PU的HP-RTM電池箱上蓋，整個殼體平均厚度在1.5mm 左右，最薄可以做到0.8mm，并可通過UL94-V0及耐外部火燒試驗。此方案綜合了減重效果、性能、價格、成型周期的優勢，未來可能是非CTB/CTC方案的電池上殼體的首選。

汽車前端框架主要承載冷卻模塊及發動機罩鎖等總成零部件。隨著汽車模塊化、 集成化、 輕量化方向發展，周邊越來越多的零部件都安裝固定在前端框架上。前端框架由金屬發展到鋁塑結合，再到GMT模壓，進而優化到PP+LGF注塑，是目前以塑代鋼有效實施的輕量化方案之一，已經實現約70%的普及率。塑料骨架極佳的成型自由度，突破了大部分鈑金件的結構約束，具有極高的集成性，大大的縮短了部件生產周期，降低總裝線生產成本，減重達到40%。

汽車后防撞梁，已有不少廠家使用GMT玻璃鋼或LGF-G等材料替代鋼鋁合金，能有效減少40%的重量，并且強度優于市面上常用的C型鋼板后防撞梁。

因SUV車型更容易發揮塑料尾門輕量化、集成化、造型設計自由的優勢，越來越多主機廠將尾門材料轉向SMC到第三代PP-LGF內板和PP+TD30/20外板的組合，代表車型有奇駿、哪吒U等。

輕質增強熱塑性塑料（Light-weight reinforced Thermoplastics， LWRT）以PP纖維和玻璃纖維為原料，通過開包、梳理、鋪網、針刺、熱壓而成的復合材料。與傳統GMT材料相比，LWRT保留了GMT材料的高比強度、低導熱系數、小尺寸變化率、可回收等優點，并可大大降低部件的質量和成本，同時提高其吸聲性能。目前LWRT廣泛應用于底護板及衣帽架等。

短玻纖增加復合材料方面方面，鋁塑CCB方案，由全鋼替換為鋁合金與PA6+GF結合，降低了產品重量，優化工藝難度。PA6+GF替代金屬的電子加速踏板方案，減重約35%，已經在行業內普遍使用；還有采用PA6+GF50等高比例玻纖產品，在電機懸置中大量使用；豐田塞納及坦途采用PA6+GF50，用于后排座椅骨架，達到輕量化同時有效降低成本。

炭纖維增強復合材料（Carbon fiber reinforced polymer，? CFRP）密度是鋼的20%，鋁的57%。CFRP高強度，高模量，優良的震動阻尼，同時擁有優異的力學性能、環境耐候性、尺寸穩定性、可設計性、高吸能效率及減震性，是最有發展前景的汽車輕量化材料[6]。CFRP在汽車中的應用始于20世紀50年代在F1賽車上作為車身材料，隨著碳纖維成本的下降與制造工藝的不斷成熟，CFRP在汽車工業中的應用將逐漸由賽車、跑車及高檔豪華車向普及型汽車發展。寶馬是引領CFRP進入量產汽車領域的先行者。寶馬碳纖維應用研究始于1999年，2014年交付的i3則首次將CFPR在量產車型推廣。自此，在i3/i8、7系、ix上開啟了Carbon life module、Carbon core到Carbon cage的原創與進化。

國內車企中，蔚來ES6使用碳纖維后地板總成、座椅板總成、后地板橫梁總成三大部件，埃安Hyper-SSR采用的100%炭纖維碳覆蓋表面。

同時奔馳、合眾、BYD、吉利、零跑等眾多車型也大量采用碳纖維外飾運動套件及內飾裝飾件。目前，CFRP在汽車工業中的大規模應用主要難點在于碳纖維成本過高（見表2），其次成型工藝復雜，生產效率低，進一步推高了CFPR部件的成本。

3.2 以塑代塑

3.2.1 長玻纖材料替代短玻纖材料

和短纖維相比，長纖維（LFT）可以在塑料產品中形成3D纖維網絡，使產品具備很高的硬度和韌性：表面質量高、力學強度高、耐高溫、抗沖擊、抗疲勞、低蠕變、低收縮、低翹曲和低摩擦損耗等，并且注塑件中各向同性要優于短纖維。使用LFT后，可以做到更薄的設計。目前LFT技術主要應用于前端框架、制造后背門內板、儀表板骨架、底護板、備胎艙、后防撞梁等汽車零部件。

3.2.2 天然植物纖維使用

隨著生活水平的提高，綠色環保材料在汽車中應用越來越廣。麻纖維復合材料具有輕質環保，可降解，力學性能及減振降噪性能優良等特性，在汽車中已得到了廣泛的應用。沃爾沃、吉利、寶馬、豐田等汽車廠已在各自量產車型中將麻纖維應用于門護板、衣帽架、座椅背板等。相較PP材料，麻纖維復合材料能降低30%重量。

竹纖維為纖維增強體，以聚丙烯等熱塑性樹脂為基體，可以采用非織造工藝和熱壓工藝制備的汽車門板、衣帽架、頂棚、后備艙側板等汽車用內飾材料，但因為強度、工藝、氣味等問題，目前竹纖維復合材料更多處于研究階段。

3.2.3 低密度材料替代高密度材料：

塑料可以通過減少其礦物填充來達到降低材料密度，實現輕量化目的。部分主機廠在門板或立柱使用PP-EPDM-TD10或PP/PE-T5替代常規PP-EPDM-TD20。為實現低密度替代，需要提高材料剛性，通常使用高結晶PP來提高材料剛性的同時并保證沖擊強度。美孚等公司已經在北美地區實現無礦物填充PP汽車門板和立柱量產，可將PP密度由1.06g/cm3降到0.90 g/cm3。

3.3 薄壁化

薄壁化本質上屬于結構優化，但需要對材料和工藝改進來突破傳統設計壁厚。汽車保險杠及門飾板是汽車使用薄壁化技術最成熟的部件，保險桿一般3.0mm厚，使用薄壁化技術可降低到2.5～2mm，門護板可以通過薄壁化技術從2.5mm厚度下降到2.0～1.5mm，在輕量化的同時有效降低本。為實現薄壁化，在工藝上需要使用表面氣輔技術：模腔內，產品充滿后，在制品冷卻凝結的過程中由模具型芯側向產品反面吹氣，氣體推動熔融塑膠繼續充填滿型腔，用氣體保壓代替塑膠保壓，高壓惰性氣體存在于產品反面和模具后模鋼材表面，對模具制造與設計要求更高[9]。薄壁化材料較普通注塑材料則要求高流動性、高韌性、高強度及高剛度，使制品達到減薄前的剛性要求。薄壁化減重效果明顯、零件成本基本不變、技術難度較低，是極優的的輕量化方案，可結合低密度方案一同進行。

3.4 微發泡

常規發泡材料已在汽車中廣泛應用，如EPP應用于行李箱工具箱、保險杠緩沖塊，PU發泡應用于座椅、頂棚等。常規發泡因其孔徑較大，通常不歸于微發泡。微孔發泡塑料定義為泡孔直徑小于10μm、泡孔密度在109～1015個/cm3的一種新型材料。相對于未發泡塑料，微孔發泡塑料的獨特結構使其在沖擊強度、韌性和抗疲勞等方面具有優良的性能，同時有熱穩定性高，介電常數低，熱導率低，隔音性能好等優點。

微孔發泡成型原理主要有兩點：當微孔發泡塑料中泡孔尺寸小于塑料內部的裂紋時，微孔的存在將不會降低塑料的力學性能；同時，微孔的存在將使塑料中原來存在的裂紋尖端鈍化，有利于阻止裂紋在應力作用下擴展。微孔發泡的核心在于利用熱力學不穩定性產生很高的成核率，并且成核率要遠大于泡孔生長的速度[13]。

據發泡劑的不同可將發泡工藝分為分物理發泡和化學發泡?；瘜W發泡是對加入塑料中的化學發泡劑進行加熱使之分解釋放出氣體而發泡；或者利用各組分之間化學反應釋放出的氣體而發泡（如PU發泡）?；瘜W發泡技術以其成本低，設備要求低等優勢近年得到廣泛研究?；瘜W發泡可以結合模芯后退技術，達到減輕材料密度，密實表面的要求。

物理發泡利用物理的方法來使塑料發泡，主要包括3種模式：1）先將惰性氣體在壓力下溶于塑料熔體或糊狀物中，再經過減壓釋放出氣體，從而在塑料中形成氣孔而發泡；2）通過對溶入聚合物熔體中的低沸點液體進行蒸發使之汽化而發泡；3）在塑料中添加空心球而形成發泡體而發泡。目前第一種發泡方法發展最快，以Trexel公司的MuCell微發泡注塑成型工藝表現得尤為突出。MuCell核心即采用超臨界流體Super Critical Fluid， SCF）為發泡劑，發泡劑在聚合物中形成均勻分布的微小氣孔，通過壓力控制氣泡的生長使樹脂形成泡孔均勻的微孔結構。微發泡制品內部幾無任何殘余應力，其制品的翹曲和變形得到很好的抑制；由于能有效地防止收縮痕，因此對制品壁厚均勻度要求大大降低，大力提升了制品設計空間。熔體的發泡可補償模具壁上的收縮，因此，發泡所需的合模壓力相對低很多；與此相通的內部模具壓力也比傳統注塑的注塑壓力大幅降低，從而熔體和模具溫度也相應降低，最終表現為保壓和冷卻階段的時間降低。通過發泡技術，可以縮短15%-30%成型時間，降低20%的制品重量，是汽車輕量化的優良解決方案。物理微發泡玻纖增強材料在儀表板骨架，化學微發泡材料用于尾門、行李箱側圍等都有了相關的量產應用。

4 結束語

與金屬材料不相同，非金屬分子的結合鍵是共價鍵和氫鍵，并且分子量較大，所以非金屬材料密度低（1.0～2.0g/cm3），比強度高，模量較低，絕緣性和耐腐蝕性好，溫熱性差、容易老化。由于其應變應力曲線沒有明顯的屈服，其零件或構件的失效應力為強度極限，也即斷裂準則。因非金屬材料一般會添加礦物、彈性體及纖維進行增強改性，隨著注塑擠出，會有明顯的各向異性，補強材料分散不均還會導致非均質問題，使所測得力學性能離散性較高，為應對其離散性高的問題，一般會選擇一個較高的安全性系數。

為準確評估非金屬材料對零部件失效風險，需要將零件功能與結構的要求精準對應到材料要求中。主機廠通常采用搭建材料數據庫的方法，將材料的基本力學曲線及物理性能、力學性能、加工性能、熱學性能、電性能、環保性能等納入材料數據庫中，在設計選材時，將結構需求與其材料特性進行匹配。

“將合格的材料用在合適地方”是汽車材料輕量化的關鍵，“多材料混合應用體系”是汽車輕量化未來目標。多材料混合應用體系對汽車產品的設計、材料開發、工藝優化帶來新的挑戰，特別是原材料的性能、成本是汽車研發工程師選材、用材的決策關鍵。針對目前新材料應用現狀，一是可以通過新材料基礎性能改善、提升規模效益來優化成本，二是通過推動新材料及新工藝數據庫建設工作，選材用材將其放在整車性能的框架下去評估。未來，多材料混合應用的技術路線一定是多樣化的，每個汽車主機廠都會結合自身優勢、綜合考慮各種材料性能及成本，形成自己獨特的材料體系。

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