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车用轻量化材料大比拼
发布:lee_9124   时间:2016/1/25 22:44:30   阅读:989 
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众所周知,汽车行业一直在探索新材料的开发与应用。为了提高车辆燃油效率和车辆性能,制造出轻量化车型,汽车业已经投入了大量的财力。然而对于制造商和供应商来说,这种探索是永无止境的。 
如今,几乎所有的汽车零部件中都有先进材料的身影。铝、塑料、高强度钢、钛合金、碳纤维、聚合物复合材料等正在代替铸铁和普通钢制成的部件。大多数汽车制造商正在考虑用高强度钢作为车身面板和车架前端模块的主体结构。目前,碳纤维复合材料已经应用在车身面板上,但北美、欧洲的制造商则和亚洲制造商考虑的有所不同,北美和欧洲的汽车制造商主要考虑在车身结构中使用碳纤维,而亚洲的制造商正在探索将碳纤维应用在内部结构中。尽管如此,在北美、欧洲和亚洲地区铝、镁和钛合金被广泛应用在小型车身部件、动力系统和底盘上。
 
钢铁
 
在车辆碰撞时,高强度钢(AHSS)和超高强度钢(UHSS)的应用可以更好地保护驾驶舱和乘客。根据可再生能源研究所的研究发现,使用高强度钢可以减少25%的零件重量。因此,设备制造商和供应商使用高强度钢和超高强度钢来生产汽车的关键安全部件。这样以来,在减轻重量的同时减少燃料消耗和二氧化碳排放。目前,超高强度钢和高强度钢已经被广泛使用在白车身(BIW)上。在重量精度要求较高的领域,钢的甚至使用率还高于铝。例如,一辆宝马车使用高强钢(HSS)可以实现20%的减重,而每减少100kg(220磅)的重量就可以减10-15g/km 的二氧化碳排放量,经济而且环保。
 
钢铁企业积极参与高强钢的研究,这些探索给他们的节省了2%的成本。尽管每吨超高强度钢比普通钢成本高约250-300美元,这些材料主要用于制造关键零件或组件,也带来了客观的成本效益。另外,高强钢还有一个优势。因为已经存在完善的钢材制造业基础设施(焊接、冲压机),制造商和供应商并不急于投资钢铁的替代品。
 

铝材

过去十年,在汽车零部件产业中,制造商对铝的使用成指数爆炸增长。今天,由于消费者和行业整体强调燃油经济和碳环保,铝替代钢成为最好的选择。据Ducker Worldwide的研究,制造商对铝的使用将从2008年平均每车147kg增长到2025年每车249kg,节省81-92kg直接整备重量和35kg次整备重量。例如,福特F-150卡车用铝片代替钢板,从而重量减轻了318kg。
 
铝和钢在设计条件上有很大的不同。汽车制造商用铝制作发动机、后轴、悬挂部件和外壳,并且推出了全铝体模型。例如,第三代大型越野车比前两代轻20%,铝壳轻39%,令人印象十分深刻。宾利也使用铝制造车身、发动机、副车架,车轮。总之,铝的应用使新型汽车空间更大,更轻也更环保。
 
虽然合金作为结构材料已经在航空航天工业应用多年,制造商在铝合金生产上仍然有困难。目前,点焊是工业上最普遍的接合方法,铆钉和粘合剂也被用于连接铝片。随着引进和改良连接技术,未来我们可能把钢、复合材料甚至是塑料和铝结合。
 
应用铝的另一个问题是回收利用。一些整车制造商为了回收铝制品,已经开始合作,并且建立了闭环的汽车生态循环系统。但是目前整个汽车生态循环系统仍需要提升回收自我汽车废品的能力,而这件事需要很高的成本。

碳纤维材料
 
尽管高速钢和铝有各有所长,但在减轻重量方面,碳纤维(CF)材料有更大的发展空间。而它的主要问题仍然是成本过高。
 
一方面,碳纤维在航空业中的份额一直在增加,(主要是减少燃料成本,增加货运量和载客量),而在汽车行业中的主要用于车辆的外壳、防护罩、框架和内部面板。目前领先的制造厂商已经使用碳纤维来降低车重,提高车辆性能与效率,但是较高的材料成本和回收技术花费,使得难以进行汽车的量产。另一方面,材料的电阻和刚度也是一个缺点,使其在碰撞过程中更易变形而难以吸收能量。
 
 
其他先进材料(钛合金,镍基合金,金属基复合材料)

通过研究先进的材料(如钛合金,镍基合金和金属基复合材料)显示,这些材料具有独特的性能,而这些性能是其他材料(如铝,钢或复合材料)不具备的。这些性能这使得它们在成为发动机和传动部件中的理想选择。目前对这些材料(仍在粉末形式)大多数的研究限于实验室中,但实现商业上的批量生产还是比较困难的。
 
未来材料--轻量化的天下
 
目前汽车制造业已经在车身结构中使用多种材料的混合物。加入这些材料要求制造商不得不长时间考虑这些轻量材料和原有材料的转换。然而公司必须投资于新技术和机械,把这些材料有效地整合到现有的制造工艺和价值体系中。这对于公司来说是一把双刃剑。一方面,随着经济的不确定性不断增长,对新资本投资的增长也越来越大。另一方面,改进燃油的经济性和控制排放保护环境也是行业的发展趋势,要想满足这些要求轻质材料则是必不可少的。
 
 

目前关于如何选用先进材料,汽车业也开始向航空业中取经。对于汽车专业人士来说,他们需要的较长的周期来学习碰撞仿真、材料失效机理、装配技术以及工程和知识的复合设计。而且为了分析这些先进材料的优点,设备制造商也需要了解汽车预计维修费用以及评估汽车的生命周期。
 
尽管制造商在钢材、铝材等材料的研发与生产进行了大量的投资,但他们也必须与供应商的合作,最大限度地利用这些轻量材料。目前情况下最好的选择是高强度钢和铝,但是寻找更优的轻量材料是永远不会停止的。


来源:材料人网
 
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