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汽車想減重又提性能？這些輕量化材料或成未來 “主角”
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2025-03-24 16:01:18
在汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展的當下，輕量化已然成為一股不可阻擋的潮流。以小米新車 SU7 Ultra 為例，其全系標配 24K 金碳纖維車標，全車多達 21 處可選碳纖維部件。1.7 平方米的超大面積碳纖維車頂，帶來 11 公斤的減重，滿配狀態(tài)下 21 處碳纖維部件總使用面積達 5.5 平方米，使整車重量僅 1900 公斤。大量碳纖維的運用，不僅顯著減輕車身重量，更提升了車身剛性與安全性能，完美詮釋了輕量化與高性能的融合。這一現(xiàn)象背后，是整個汽車行業(yè)對輕量化的深度探索與實踐，而輕量化材料則是這場變革的核心驅(qū)動力。



在汽車領(lǐng)域，輕量化對于降低能耗、減少碳排放意義重大。研究表明，輕量化材料每替代 10% 的金屬材料，車輛整體重量可降低 5%。這一變化能夠有效縮短慣性帶來的制動距離，顯著提升車輛的駕駛安全性、操作性能以及加速性能，同時減少車輛排放。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，汽車整車質(zhì)量每減少 10%，燃油車的燃油消耗可降低 6% - 8%。



當前，汽車輕量化材料，如高強度鋼、輕質(zhì)合金及高分子復合材料，在汽車制造中的占比為 10% - 15%。其中，“以塑代鋼” 的輕量化高分子復合材料，因密度低、性能優(yōu)異、加工簡便且可回收等特性，受到業(yè)界的高度關(guān)注，成為汽車零部件行業(yè)升級的關(guān)鍵方向。



特別是在輕量化新能源汽車領(lǐng)域，碳纖維復合材料憑借無與倫比的比強度和比模量，在碰撞時能減少碎片產(chǎn)生，大幅提高汽車安全性。其密度遠低于鋼和鋁，應(yīng)用于車身及零部件設(shè)計，可降低整車質(zhì)量 40% - 60%，降低燃油消耗，顯著提升高速行駛穩(wěn)定性。



豐富多元的輕量化材料家族



高強度鋼：強度與減重的平衡



高強度鋼涵蓋抗拉強度在 270 - 700MPa 的汽車用鋼，以及抗拉強度超 700MPa 的超高強度鋼。相較于低強度鋼，其制成的汽車零部件厚度更薄，有助于減小整車質(zhì)量。1994 年，國際鋼鐵協(xié)會開展超輕質(zhì)鋼車身項目，大量采用高強度鋼，所研制的超輕質(zhì)車身質(zhì)量僅為同級別汽車車身質(zhì)量的 75%，且車身結(jié)構(gòu)性能大幅提升，扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度分別提高 80% 和 52%。



隨著高強度鋼材料的不斷發(fā)展，汽車車身結(jié)構(gòu)與制造工藝持續(xù)改進，如今已實現(xiàn) 100% 使用高強度鋼板制造車身，以雙向鋼等新型材料為主要制造材料，先進高強度鋼板占比超 80%。例如，一汽集團使用寶鋼研發(fā)的 340MPa 高強度 F 鋼板制造車門板、兩側(cè)翼子板等零部件；神龍汽車有限公司利用高強度鋼板加工車門鉸鏈固定板、發(fā)動機支架等。



不過，高強度鋼延伸率較低，強度與延伸率呈反比，加工成型時易出現(xiàn)斷裂問題。為此，新一代高強度汽車用鋼提高了材料的延伸率與伸長率，研發(fā)出李晶誘導塑性鋼、具備誘導塑性特征的輕量化鋼，以及由淬火、退火工藝制成的低合金鋼等。



鋁合金材料：鑄造與變形的多樣應(yīng)用



鋁合金材料密度低，強度不低于優(yōu)質(zhì)鋼料，能充分滿足現(xiàn)代汽車制造需求。當前主要分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金熔點低、流動性好，通過重力鑄造及壓力鑄造方式，可快速成型復雜形狀零部件，常用于制造發(fā)動機、傳動機構(gòu)等汽車零部件。



變形鋁合金強度高、塑性好，用于制造汽車結(jié)構(gòu)件、散熱系統(tǒng)及裝飾件。目前，鑄造鋁合金應(yīng)用更為廣泛，制造工藝也更為成熟。以鋁合金桿件為例，主要使用 2000AI.Cu 系列鋁合金，通過擠壓模具制造，在構(gòu)件形狀和尺寸不變的情況下，鋁合金桿件質(zhì)量遠小于鋼質(zhì)桿件。



鎂合金材料：優(yōu)勢與挑戰(zhàn)并存



鎂合金材料具有密度小、質(zhì)量小和吸振性能強的顯著優(yōu)勢，其密度僅為鋁材料密度的 2/3。目前主要采用鑄造工藝，用于制造汽車的儀表盤、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、座椅等部件。國內(nèi)外汽車公司正積極提高鎂合金在車身、發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、車輪及行走系統(tǒng)中的用量比重，其中在車身結(jié)構(gòu)中的用量比例相對最高，已超 30%。



然而，鎂合金耐腐蝕性較差，用于制造發(fā)動機支架、車輪等部件時，易出現(xiàn)電腐蝕與化學腐蝕問題，縮短部件使用壽命。因此，開發(fā)耐腐蝕、高韌性與耐疲勞性的新型鎂合金材料迫在眉睫，以拓展其應(yīng)用范圍，滿足汽車底盤、動力單元發(fā)動機缸體等復雜工況零部件的制造加工需求。



碳纖維復合材料：高性能的代表



碳纖維復合材料綜合力學性能卓越，比強度、比吸能與比模量處于高位，且密度較低。在相同剛度與強度條件下，其質(zhì)量不足低碳鋼結(jié)構(gòu)的 50%，不足鎂合金、鋁合金結(jié)構(gòu)的 70%，同時零部件使用壽命大幅增加。



例如，ARRK 公司研制的由碳纖維增強熱塑性材料制造的復合變速箱殼體，質(zhì)量不足早期型號鋁合金殼體的 70%；奧迪公司在 2018 年展出的 A8 轎車，使用新型碳纖維增強塑料后圍結(jié)構(gòu)，減重比例超 50%。不過，碳纖維復合材料成本高、制造工藝復雜，當前需改進材料制備工藝、簡化零部件制造工序，以提高其在整車材料中的占比。



中國石化：汽車輕量化材料的創(chuàng)新先鋒



碳纖維技術(shù)的重大突破



碳纖維憑借輕質(zhì)高強、耐高溫、耐腐蝕等特性，成為高端汽車輕量化設(shè)計的核心材料。它由聚丙烯腈（或瀝青、黏膠）等有機纖維在高溫環(huán)境下裂解碳化形成，含碳量高于 90%，是目前量產(chǎn)高性能纖維中比強度和比模量最高的纖維。



當碳纖維絲束規(guī)格達到或超過 48K，單絲數(shù)量超過 48000 根，即為大絲束碳纖維，包括 48K、60K、80K 等，主要應(yīng)用于工業(yè)、機電、土木建筑、交通運輸和能源等領(lǐng)域。



汽車上使用的正是大絲束碳纖維，其性能優(yōu)越，被譽為 “新材料之王”“黑黃金”。中國石化上海石化研發(fā)生產(chǎn)的大絲束碳纖維，含碳量在 95% 以上，力學性能優(yōu)異，比重不到鋼的四分之一，強度卻是鋼的 7 至 9 倍，且具有耐腐蝕特性。2022 年 10 月 10 日，中國石化自主研發(fā)的 48K 大絲束速碳纖維成功投產(chǎn)，標志著大絲束碳纖維從關(guān)鍵技術(shù)突破、工業(yè)試生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化，邁向規(guī)模化和關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化。



油箱專用料打破行業(yè)壟斷



出于汽車輕量化需求，越來越多汽車零部件由金屬件改為塑料件。汽車燃油箱作為事關(guān)安全的重要部件，產(chǎn)業(yè)門檻極高。HDPE 汽車油箱料是汽車輕量化發(fā)展的重要創(chuàng)新應(yīng)用，具有耐環(huán)境應(yīng)力開裂優(yōu)異、剛韌平衡性能突出、熔體強度高和加工性能好等特點，得到全球多家知名汽車零部件供應(yīng)商的認可。



2009 年，茂名石化開發(fā)的汽車油箱專用料 HXB4505N，打破了進口牌號數(shù)十年來在該領(lǐng)域的壟斷。茂名石化研究院的岑靜蕓承擔起中石化重點科技項目 “汽車燃油箱用高密度聚乙烯專用料的開發(fā)”，帶領(lǐng)團隊長年奔走于國內(nèi)外各大汽車主機廠及油箱廠。



歷經(jīng) 5 該產(chǎn)品于 2015 年被國際燃油箱龍頭企業(yè)德國考泰斯正式采購，現(xiàn)已應(yīng)用于長安福特品牌汽車燃油箱，不僅是國內(nèi)首個商業(yè)化的 HDPE 汽車燃油箱專用料，還是國內(nèi)唯一進入跨國企業(yè)供應(yīng)鏈的同類產(chǎn)品。2017 年，該產(chǎn)品正式通過了日本本田及八千代的材料準入測試，連續(xù)兩年產(chǎn)銷量突破萬噸。



橡膠產(chǎn)品助力汽車節(jié)能安全



汽車輪胎材料的選用至關(guān)重要。使用綠色輪胎不僅能提高車輛安全性，還能使輪胎滾動阻力降低 20% 以上，轎車可節(jié)油 3% - 5%，載重車可節(jié)油 6% - 8%。中國石化的橡膠產(chǎn)品為汽車輕量化提供了新方案。鐵系梳枝丁戊橡膠作為生產(chǎn)高性能輪胎的關(guān)鍵原料，主要用于制造高性能輪胎胎面膠。



其特殊的 “微觀毛刷式” 結(jié)構(gòu)，賦予材料高強度、高抗?jié)窕浴⒏咦枘岬刃阅埽纱蠓s短汽車剎車制動距離，提高交通工具安全性，減少油耗，增加續(xù)航里程。截至目前，中國石化生產(chǎn)的相關(guān)原料產(chǎn)品已在超 100 余家汽車零部件及整車企業(yè)中，生產(chǎn)出前端框架、汽車油箱、碳纖維輪轂、門內(nèi)護板、輪胎氣密層等 40 余種汽車制件。



依托在三大合成材料的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)優(yōu)勢，中國石化開發(fā)出涉及 9 種 35 個牌號的合成材料成套工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、6 類復合材料制備技術(shù)，總體技術(shù)處于世界先進水平。



汽車輕量化材料的不斷創(chuàng)新與應(yīng)用，正在重塑汽車行業(yè)的發(fā)展格局。從高強度鋼到鋁合金、鎂合金，再到碳纖維復合材料，以及中國石化在材料研發(fā)上的卓越貢獻，每一種材料都在為汽車的輕量化、高性能與安全性提供支撐。



隨著技術(shù)的不斷進步，汽車輕量化材料將在降低能耗、減少排放、提升駕駛體驗等方面發(fā)揮更為重要的作用，推動汽車行業(yè)朝著綠色、高效、智能的方向持續(xù)發(fā)展。未來，我們有理由期待更多新型輕量化材料的出現(xiàn)，為汽車行業(yè)帶來更多驚喜與變革。

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