混合材料正在成为全球汽车产业发展新趋势

王伟东｜文

（作者单位：北京安泰科信息股份有限公司）

为实现轻量化，汽车制造厂商除了简化车身结构设计、减少车身零部件数量外，更多使用铝、镁、碳纤维复合材料等轻质材料和高强度钢来进一步降低车身自重已成为业内共识，多种材料混合使用的车身材料应用设计理念正在兴起。

随着世界各国汽车保有数量的不断增多，传统燃油车尾气导致的碳排放问题愈加受到广泛关注。全球汽车主机厂为满足与汽车节能减排有关的政策法规要求，除了积极研发和生产新能源车型外，也在通过减少车身自重来达到环保要求，汽车轻量化进程正在不断加快。

混合材料车身结构设计是发展趋势

为了进一步改善车辆的燃油经济性、提高车辆行驶安全性、整体提升驾驶体验，汽车制造商们不再局限于使用单一材料，开始逐步尝试多种材料混合使用的优化设计方法，将最合适的材料以最好的方式应用到汽车的各个部位上。这种汽车设计思路的变化也成为推动铝在汽车行业消费量不断增长、市场占有率不断提高的主要因素之一。

通常情况下，如果想对汽车减重，就必须大规模地改用轻金属材料或复合材料。汽车制造商们也表示，如果想将一辆车减重15%，很难不依靠轻量化材料。不过，目前汽车制造商使用的比较常见的减重方式是使用耐高温塑料以及缩小发动机尺寸。如果需要为汽车减去5%的重量，汽车制造商通常会选择钢铝一体化结构设计，例如福特推出的全铝车身F-150。

另一方面，采用材料混合使用车身结构设计也是出于安全方面的考虑。一种观点认为，既然以铝代钢会给汽车带来诸多好处，应该将所有钢制部件尽可能地更换为铝制部件，于是“全铝汽车”就此出现，即整个白车身和四门两盖全部以铝制成，这使得整个车身减重效果更加显著。但汽车工程设计和研究人员随后也发现，全部采用铝结构设计也存在一定弊端，比如行驶安全问题。

以全球首家推出全铝轿车的奥迪公司为例，在奥迪A8 新的奥迪车身框架结构设计中，铝仍被作为一种重要的建造材料。铝制部件占新款A8 轿车车身部件中所占比例为58%，在四种轻量化材料中用量最多。铝铸件、挤压型材和板材的使用是奥迪车身框架结构具有的主要材料应用特征。

镁材料主要用于支柱支撑，与老款车型部件相比，其减重效果达到28%。铝螺栓固定连接到支撑塔的圆顶，确保了车身的高扭转刚度。在发生正面碰撞的情况下，所产生的作用力被分配到车身前端的三个缓冲器上面。

多种热成型高强度钢制零部件构成了汽车乘坐舱，这些零部件包括前舱壁下部、侧柱、B 柱和车顶梁的前端部分。其中一些金属板材通过在不同厚度下使用裁剪技术生产出来，其他一些部件还需要进行局部热处理，从而实现重量减轻而强度增加，并在车辆特别需要提高安全防护的区域使用。

在其整体尺寸方面，一种由碳纤维增强复合材料制成的超高强度、高扭矩强度后面板是新奥迪A8 乘坐驾驶舱中尺寸最大的部件，它使整车的扭转刚度提高了33%。为了优化和吸收纵向、横向载荷以及剪切应力，有6~19 层碳纤维材料被安放其中，以确保负载优化布局。

毋庸置疑的是，铝仍然是在汽车应用材料领域发展最快、最具市场竞争力的金属材料。为了进一步改善车辆的燃油经济性、车辆行驶安全性、提升驾驶操控性，汽车制造商们不再局限于使用单一材料，而开始逐步尝试用多种材料混合使用的更佳设计方法，将最合适的材料通过最好方式应用到汽车的各个部位上。

车身材料连接技术的不断进步为材料混合使用提供了保障

当然，车身材料混合使用设计不只是简单把钢制材料换为铝制或其他材料，还要考虑到不同材料之间的连接技术问题，这对于整车的使用寿命和安全性至关重要。随着车身连接工艺和材料粘接技术的不断进步，汽车生产商具有了车身材料混合使用的技术条件。

同样以奥迪公司为例，该公司在完成了对新一代A8 轿车车身框架结构进行重建的同时，其位于德国内卡苏尔姆的生产车间也是专门为了建造即将到来的旗舰车型而重新设计。这个新建的高度达到41 米的车身生产车间提供了各种高度复杂且节能的生产操作工序，其中共使用了14 种不同的连接工艺。

在这些连接工艺中，在前门和后门的切口区域进行的机器人包边是一种机械自动化操作，使用“冷”工艺技术将铝侧板框架与热成型高强度钢板在B柱、车顶线和车窗位置连接起来。与老款车型相比，汽车工程师们在车门切口区域实现了高达36 毫米（1.4 英寸）的改进。这种进步使得人员进出汽车更加方便自如，同时还扩大了驾驶员在B柱周围的视野范围，这是保证安全驾驶的关键所在。

在“热”连接工艺方面，奥迪公司已经开发出了对铝材料进行连接的远程激光焊接技术。精确定位的激光束在焊接边缘大大降低了以往生产过程中存在的热开裂风险。新工艺使得通过热量输入方式来精确控制激光束的穿透深度成为可能。

材料混合使用将得以体现

为解决温室气体排放问题，除了对传统燃油汽车进行轻量化设计外，另一种解决方案就是发展新能源电动汽车。

在未来的20 年里，传统的燃油汽车有可能会被全部淘汰。目前，英国、法国和挪威等国已先后宣布，将在未来的几十年里全面禁止销售以汽、柴油为燃料的汽车。中国作为目前全球最大的汽车生产消费国，尽管尚未明确燃油汽车退出的具体时间表，但目前也已开始制定逐步停止生产销售燃油汽车的计划。与此同时，全球许多汽车OEM厂商也提出了未来几年各自的电动汽车发展计划。因此，尽管目前全球电动汽车产量所占比例很小，但其发展速度很快。

由于电动汽车产量预计在未来10年中还将出现显著增长，这将对未来汽车的白车身设计理念产生重要影响。对于纯电动汽车和油电混合动力汽车来说，虽然其燃油消耗是零或很低，但对其进行车身轻量化依然十分必要，因为此举可以减少由于采用大型锂离子电池给整车重量增加带来的影响。在电动汽车采取措施减重以后，汽车制造商可以通过减少电池组的尺寸来降低制造成本，或是增加电池组使用数量来延长车辆每次充电后的续航里程。对电动车而言，续航里程是非常关键的一项技术指标，这也是新能源汽车比传统燃油车更加重视轻量化的原因。

对于搭载锂离子电池的电动汽车而言，在目前技术条件下它们需要采用轻量化结构设计。比如，采用铝合金车身结构设计能够比传统金属结构车身具有更多优点。它们具有很好的导热能力，以确保电池能够保持正常工作温度。因此，铝合金车身结构实际上已经成为汽车动力系统的组成部分。

但由于受到成本等诸多因素的制约，目前采用全铝车身的乘用车均为高端车型。在新能源汽车领域也是如此，仅有少数车企采用全铝车身设计，如特斯拉的model S、捷豹I-PACE、蔚来ES8 和即将推出的蔚来ES6。除了轻量化因素外，新能源汽车制造商同样需要考虑制造成本和安全问题。以特斯拉公司为例，为了降低制造成本，该公司在价格相对便宜的Model 3 电动汽车上采用了钢铝混合结构，来达到轻量化和低成本的目的。从目前判断，这种车身材料混合结构设计在电动汽车领域也将成为一种发展趋势。

结论

不管是新能源汽车还是传统燃油汽车，轻量化的发展趋势还将继续下去。但轻量化不会强调只采用某一种材料，未来的趋势必定是多种材料复合使用，比如说高强钢、铝合金、镁合金以及碳纤维复合材料等多种材料的组合应用。

汽车制造业正在经历着变革，传统燃油车向电动汽车市场的过渡和转变已成为加快汽车轻量化技术进步，产业规模不断扩大的新的推动力。无论汽车驱动技术发生何种演变，铝在汽车上的用量都将稳步增加，创新的合金产品设计将为铝在汽车行业中开辟出新的应用空间。