第一节　汽车轻量化材料

新材料的应用是汽车实现轻量化的关键。为实现轻量化，世界各大汽车生产商和材料生产厂家一直致力于轻量化材料的研发，轻量化材料应用的多少已经成为衡量汽车生产技术和新材料开发水平的重要标准之一。目前，用于汽车轻量化的材料主要有低密度的轻质材料和高强度材料，前者包括以铝、镁、钛合金为代表的金属材料和塑料、纤维等高分子材料，后者主要指高强度钢。

一、铝合金

铝合金是以铝为基加入其他元素组成的合金。铝合金密度为2.7g/cm3，约是钢密度的1/3。铝合金具有密度小、比强度和比刚度高、循环利用性强、导热导电性能良好等优势，在气缸体、壳体、转向盘骨架等零部件上大量使用，是汽车轻量化重要的替代材料。加之铝合金加工技术不断发展成熟，通过对铝合金适当的加工与处理，铝合金强度还可以大幅提升。铝合金应用范围已经逐渐从车轮等零部件逐渐扩展到车身、车门和车盖。目前，已经有福特、奥迪、捷豹等汽车生产商使用全铝车身。

随着铝合金技术的发展及汽车节能减排的需要，铝合金在汽车上的应用将快速增加，汽车的铝化界限可以达到30％～50％。图1-49所示为铝合金在汽车上的应用实例。

福特公司使用全铝车身，在悬架系统、车门、发动机罩、保险杠等部件也使用铝合金的新款F-150车型，与现款车型相比，减重340kg，燃油经济性提升20％。

二、镁合金

镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是密度小，约为铝合金的2/3，比强度高，弹性模量大，消振性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。

镁合金大部分以压铸件的形式在汽车上应用，镁压铸件的生产效率比铝高30％～50％。新开发的无孔压铸法可生产出没有气孔且可热处理的镁压铸件。镁铸件在汽车上使用最早的实例是车轮轮辋。在汽车上试用或应用镁合金的实例还有离合器壳体、离合器踏板、制动踏板固定支架、仪表板骨架、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速器壳体、发动机悬置和气缸盖等。

图1-50所示为镁合金在汽车上的应用实例。

镁合金因其显著的减重效果、良好的铸造和尺寸稳定性、优良的抗振性及可回收再生等特性，已成为汽车制造业最具潜力的结构材料。特别是大力提倡发展低碳经济的今天，镁合金是汽车轻量化中取代钢铁及部分铝合金的首选材料，各国也把单车镁合金用量作为汽车先进性的标志之一。

三、钛合金

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛的密度为4.5g/cm3，具有比强度高、高温强度高和耐腐蚀等优点。由于钛的价格昂贵，至今只见在赛车和个别豪华车上少量应用。尽管如此，对钛合金在汽车上应用的试验研究工作却不少。例如用α+β系钛合金制造的发动机连杆，强度相当于45钢调质的水平，而质量可以降低30％；β系钛合金经强冷加工和时效处理，强度可达2000MPa，可用来制造悬架弹簧、气门弹簧和气门等，与拉伸强度为2100MPa的高强度钢相比，钛弹簧可降重20％。

图1-51所示为钛合金在汽车上的应用实例。

四、碳纤维

碳纤维是一种纤维状复合材料，含碳量超过90％以上，具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。它的强度比钢大，密度比铝小，具有极好的电学、热学和力学性能。碳纤维和碳纤维增强复合材料作为21世纪的新材料，具有强度高、质量轻、耐腐蚀等优势，多年前便应用于赛车领域，目前已开始逐步应用到民用汽车领域。特别是在新能源汽车上，有着广泛的应用前景。

由于碳纤维增强复合材料有足够的强度和刚度，是制造汽车车身和底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻质量40％～60％，相当于钢结构质量的1/3～1/6。未来兰博基尼几乎所有的新车型车身都将使用碳纤维材料，大幅降低车身质量。

图1-52所示为碳纤维在汽车上的应用实例。

虽然对于汽车来说，碳纤维复合材料具有更高的安全性、轻量化等众多优点，但是现阶段它还仅限于高档轿车的应用，这主要是因为碳纤维的价格较高。