汽車材料技術(shù)研究已經(jīng)上升至國家戰(zhàn)略層面，中國制造2025已將材料技術(shù)列為節(jié)能與新能源汽車發(fā)展的核心。尤其在新能源汽車方面，輕量化材料與設(shè)計應(yīng)用不僅僅是降低電動汽車能耗的技術(shù),也將影響到未來汽車設(shè)計理念,將成為電動汽車技術(shù)革命的主要推力。其中，鋁合金、碳纖維、工程塑料等材料的應(yīng)用是汽車輕量化的主要手段。

2017年5月11日，由中國汽車技術(shù)研究中心和天津市西青區(qū)人民政府聯(lián)合主辦，中國汽車技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)資源中心承辦的“2017中國車用材料(西青)國際論壇”在天津成功召開。本屆論壇以“創(chuàng)新材料重塑汽車產(chǎn)業(yè)價值鏈”為主題，近1000位國內(nèi)外嘉賓圍繞深入交流。在輕量化材料分論壇中，多位專家解析了目前汽車行業(yè)內(nèi)輕量化材料(鋁合金、碳纖維、工程塑料)的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。

工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司司長高云虎在演講中指出，工信部節(jié)能司將深入推進(jìn)綠色設(shè)計示范和綠色設(shè)計產(chǎn)品評價試點(diǎn)，打造一批示范帶動效應(yīng)強(qiáng)的綠色供應(yīng)鏈，逐步建立綠色設(shè)計產(chǎn)品的市場監(jiān)督機(jī)制。國家認(rèn)監(jiān)委關(guān)鈞文副處長指出，國家認(rèn)監(jiān)委將會在汽車、相關(guān)零部件、材料等領(lǐng)域全面落實(shí)綠色產(chǎn)品認(rèn)證制度，為消費(fèi)者提供更多更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

鋁合金：最為廣泛使用的汽車輕量化材料

目前，鋁合金材料是汽車制造業(yè)中最為廣泛使用的輕量化材料。傳統(tǒng)汽車中，捷豹路虎、奧迪等車型已經(jīng)開始廣泛使用全鋁車身;新能源領(lǐng)域中，日產(chǎn)聆風(fēng)采用鋁合金覆蓋件，而特斯拉全系車型從底盤到車身都是鋁合金制造的。

“對于電動汽車而言，一百公斤的減重可以增加續(xù)航距離的10%左右，另外可以通過減重降低成本。因?yàn)槠囓嚿磔p了，就可以把電池的重量減輕。現(xiàn)在這個電池說成本用容量來算的話，一千瓦大概是在兩千到三千塊錢，通過減重把電池成本降低，可以一定程度上解決新能源汽車成本問題。”中國鋁業(yè)公司首席工程師趙丕植表示。從安全角度考慮，減重可以縮短剎車距離，提高安全性能，有助于行人保護(hù)，提高安全性能。

對于鋁合金材料的市場前景，趙丕植分析說：“早在2012年，中國整個汽車鋁合金材料市場一年就用了一萬噸，到2016年這個數(shù)量已經(jīng)上升到7萬噸了。等到2020年高端覆蓋件就會有30萬噸的市場規(guī)模，除了高端覆蓋件之外還有結(jié)構(gòu)件，另外還有商用車用的鋁板，這些加起來在2020年中國汽車鋁板的市場規(guī)模將超過一百萬噸。”

為了節(jié)能減排，防止提高溫暖化，提高安全性能，汽車行業(yè)正在使用鋁合金汽車板實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，中國汽車輕量化的序幕已經(jīng)拉開。

碳纖維：更輕更好但是也更貴

“輕量化永遠(yuǎn)是在重量、性能和成本之間找一個平衡。”這是康得復(fù)材副總裁何鵬對輕量化的理解。與鋼、鋁合金相比，碳纖維的密度有20%到30%的優(yōu)勢，并具有非金屬一些比較典型的特點(diǎn)，比如耐腐蝕，此外還有非常高的比強(qiáng)度和比鋼度。

成本是一個比較大的劣勢，目前碳纖維的綜合成本相當(dāng)于鋁的綜合成本的2倍到2.5倍之間。不過，在整個輕量化過程中碳纖維可以作為一個很好的補(bǔ)充材料和關(guān)鍵材料，在現(xiàn)階段可以跟鋁或其他金屬進(jìn)行搭配。在長遠(yuǎn)來看隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬和工業(yè)化發(fā)展，可以在成本降低的情況下，以后可以逐步更多的替代金屬作為汽車應(yīng)用的一個主要的材料。

何鵬表示，有望在3到5年以后通過產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化來降低碳纖維的各種成本。國產(chǎn)化的應(yīng)用，整個產(chǎn)業(yè)鏈在國內(nèi)走完了0到1的過程，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用以后，帶動整個成本的下降。另外就是設(shè)計能力和經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)樵趪鴥?nèi)整個碳纖維的設(shè)計包括碳纖維數(shù)據(jù)庫、車身標(biāo)本都不是很健全，大家還都是在摸索中前進(jìn)。此外，需要進(jìn)一步提高制造工藝，因?yàn)樘祭w維的制造成本還需要進(jìn)一步降低，這樣才更能夠促使汽車領(lǐng)域用碳纖維更好地利用。

“在目前在碳纖維成本的基礎(chǔ)上，利用三到五年時間內(nèi)成本降低30%到50%，這樣的話跟鋁相比才有應(yīng)用的競爭力，才能更多更好地應(yīng)用在汽車整個結(jié)構(gòu)上面。”

工程塑料：價格低廉可塑性高

以塑代鋼的概念已經(jīng)廣為流傳，由于價格低廉、可塑性高，越來越多的高性能塑料和塑料復(fù)合材料被大規(guī)模應(yīng)用在汽車上，目前德國汽車上的工程塑料用量最多，平均占整車用料的15%以上。

一般塑料的比重在0.9～1.6，玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的比重也不會超過2.0，而A3 鋼為7.6，鋁為2.7。使用塑料可以減輕零部件約40%的重量，同時其成本也可以大幅度降低。

現(xiàn)階段常見的汽車工程塑料有聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚和ABS等。聚酰胺材料主要應(yīng)用于動力、底盤零部件及結(jié)構(gòu)件，約占整車塑料的20%;聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚等材料主要應(yīng)用于電子電器零部件及結(jié)構(gòu)件，約占整車塑料的15%左右;ABS工程塑料主要應(yīng)用于汽車內(nèi)外飾零部件等地。

“在新能源汽車領(lǐng)域，工程塑料的應(yīng)用范圍依然很廣，比如電池模組外殼、接插件等。電池外殼要求材料強(qiáng)度，而接插件需要絕緣密封性能，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時，工程塑料能完美的實(shí)現(xiàn)上述要求。”杜邦中國亞太區(qū)技術(shù)經(jīng)理王興旺如是說。

據(jù)測，2020年汽車平均塑料用量將可能達(dá)到500kg/輛以上，約占整車用料的1/3以上。隨著新能源汽車的廣泛使用，加之鋁合金、碳纖維的成本過高，且以進(jìn)口為主。未來汽車的車頂、車門、座椅部件、輪轂以及汽車周邊結(jié)構(gòu)件都有可能改用工程塑料。

工程塑料的市場需求勢必也將引起塑料改性、塑料制備、制造業(yè)、模具等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。目前此方面的研究也是科研、行業(yè)熱點(diǎn)之一，與此同時，一些隨之而來的問題也應(yīng)當(dāng)引起相關(guān)人員的重視，比如工程材料的微結(jié)構(gòu)和非等向性可能帶來的安全問題，這也將衍生出其他新的設(shè)計挑戰(zhàn)。

輕量化實(shí)際上就是一個綜合了多個材料學(xué)科優(yōu)化的一個過程，在滿足性能的情況下，在一定的成本范圍內(nèi)達(dá)到重量的減重目標(biāo)，是一個平衡優(yōu)化的過程。“最合適的材料用在最正確的地方”，這樣的汽車產(chǎn)品才能在保證安全性、舒適性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)極致的輕量化。