21世紀的人們將面臨能源短缺及環(huán)境污染的難題，長期以來，都在積極探索如何最大限度的提高燃油效率、減少汽車尾氣中有害成分。實現(xiàn)這一目標的方向多種多樣，其中汽車輕量化舉足輕重，而新材料的使用將實現(xiàn)汽車輕量化的夢想。
 

       現(xiàn)代汽車車身除滿足強度和使用壽命的要求外，還應滿足性能、外觀、安全、價格、環(huán)保、節(jié)能等方面的需要。在上世紀八十年代，轎車的整車質(zhì)量中，鋼鐵占80％，鋁占3％，樹脂為4％。自1978年世界爆發(fā)石油危機以來，作為輕量化材料的高強度鋼板、表面處理鋼板逐年上升，有色金屬材料總體有所增加，其中，鋁的增加明顯；非金屬材料也逐步增長，近年來開發(fā)的高性能工程塑料、復合材料，不僅替代了普通塑料，而且品種繁多，在汽車上的應用范圍廣泛。本文著重介紹國內(nèi)外在新型材料應用方面的情況及發(fā)展趨勢。

（一）車身新材料的種類

      從前的高強度鋼板，拉延強度雖高于低碳鋼板，但延伸率只有后者的50％，故只適用于形狀簡單、延伸深度不大的零件?，F(xiàn)在的高強度鋼板是在低碳鋼內(nèi)加入適當?shù)奈⒘吭兀?jīng)各種處理軋制而成，其抗拉強度高達420N/mm²，是普通低碳鋼板的2～3倍，深拉延性能極好，可軋制成很薄的鋼板，是車身輕量化的重要材料。到2000年，其用量已上升到50%左右。 

      低合金高強度鋼板的品種主要有含磷冷軋鋼板、烘烤硬化冷軋鋼板、冷軋雙相鋼板和高強度1F冷軋鋼板等，車身設計師可根據(jù)板制零件受力情況和形狀復雜程度來選擇鋼板品種。 

    （1）含磷高強度冷軋鋼板：含磷高強度冷軋鋼板主要用于轎車外板、車門、頂蓋和行李箱蓋升板，也可用于載貨汽車駕駛室的沖壓件。主要特點為：具有較高強度，比普通冷軋鋼板高15％～25％；良好的強度和塑性平衡，即隨著強度的增加，伸長率和應變硬化指數(shù)下降甚微；具有良好的耐腐蝕性，比普通冷軋鋼板提高20％；具有良好的點焊性能。 

    （2）烘烤硬化冷軋鋼板：經(jīng)過沖壓、拉延變形及烤漆高溫時效處理，屈服強度得以提高。這種簡稱為BH鋼板的烘烤硬化鋼板既薄又有足夠的強度，是車身外板輕量化設計首選材料之一。

    （3） 冷軋雙向鋼板：具有連續(xù)屈服、屈強比低和加工硬化高、兼?zhèn)涓邚姸燃案咚苄缘奶攸c，如經(jīng)烤漆后其強度可進一步提高。適用于形狀復雜且要求強度高的車身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如車門加強板、保險杠等。
    （4）超低碳高強度冷軋鋼板：在超低碳鋼（C≤0.005％）中加入適量的鈦或鈮，以保證鋼板的深沖性能，再添加適量的磷以提高鋼板的強度。實現(xiàn)了深沖性與高強度的結(jié)合，特別適用于一些形狀復雜而強度要求高的沖壓零件。

2.輕量化迭層鋼板
       迭層鋼板是在兩層超薄鋼板之間壓入塑料的復合材料，表層鋼板厚度為0.2～0.3mm，塑料層的厚度占總厚度的25％～65％。與具有同樣剛度的單層鋼板相比，質(zhì)量只有57％。隔熱防振性能良好，主要用于發(fā)動機罩、行李箱蓋、車身底板等部件。

3.鋁合金
      與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度小（2.7g/cm3）、比強度高、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、可回收再生等優(yōu)點，技術(shù)成熟。首先在不改變汽車尺寸、不降低汽車舒適性和安全性的情況下使汽車的質(zhì)量至少減輕了40%，同時還降低了油耗；第二，提高了車身零部件的結(jié)構(gòu)剛性，從而便于生產(chǎn)，更主要的是提高了使用性能；第三，解決了車身腐蝕問題，延長了車身壽命；第四，鋁合金零件具有很高的回收率，而且回收生產(chǎn)1t鋁合金要比重新生產(chǎn)1t鋁合金少耗能95%；第五，加工這種合金時所需的工裝設備投資要比加工鋼、鐵少得多。

      德國大眾公司的新型奧迪A2型轎車，由于采用了全鋁車身骨架和外板結(jié)構(gòu)，使其總質(zhì)量減少了135kg，比傳統(tǒng)鋼材料車身減輕了43％，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奧迪A8通過使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身零件數(shù)量從50個減至29個，車身框架完全閉合。這種結(jié)構(gòu)不僅使車身的扭轉(zhuǎn)剛度提高了60%，還比同類車型的鋼制車身車重減少50%。

目前，鋁合金主要是用于制造轎車車身覆蓋件中的發(fā)動機罩，今后車門及行李艙蓋也將會愈來愈多的使用鋁合金制造。

4.鎂合金
      鎂的密度為1.8g/cm3，僅為鋼材密度的35％，鋁材密度的66％。此外它的比強度、比剛度高，阻尼性、導熱性好，電磁屏蔽能力強，尺寸穩(wěn)定性好，因此在航空工業(yè)和汽車工業(yè)中得到了廣泛的應用。鎂的儲藏量十分豐富，鎂可從石棉、白云石、滑石中提取，特別是海水的鹽分中含 3.7%的鎂。近年來鎂合金在世界范圍內(nèi)的增長率高達20％。 

      鑄造鎂合金的車門由成型鋁材制成的門框和耐碰撞的鎂合金骨架、內(nèi)板組成。另一種鎂合金制成的車門，它由內(nèi)外車門板和中間蜂窩狀加強筋構(gòu)成，每扇門的凈質(zhì)量比傳統(tǒng)的鋼制車門輕10kg，且剛度極高。隨著壓鑄技術(shù)的進步，已可以制造出形狀復雜的薄壁鎂合金車身零件，如前、后擋板、儀表盤、方向盤等。

5.泡沫合金板
      泡沫合金板由粉末合金制成，其特點是密度小，僅為0.4～0.7g／cm³，彈性好，當受力壓縮變形后，可憑自身的彈性恢復原料形狀。泡沫合金板種類繁多，除了泡沫鋁合金板外，還有泡沫鋅合金、泡沫錫合金、泡沫鋼等，可根據(jù)不同的需要進行選擇。由于泡沫合金板的特殊性能，特別是出眾的低密度、良好的隔熱吸振性能，深受汽車制造商的青睞。目前，用泡沫鋁合金制成的零部件有發(fā)動機罩、行李箱蓋等。

6.蜂窩夾芯復合板
      蜂窩夾芯復合板是兩層薄面板中間夾一層厚而極輕的蜂窩組成。根據(jù)夾芯材料的不同，可分為紙蜂窩、玻璃布蜂窩、玻璃纖維增強樹脂蜂窩、鋁蜂窩等；面板可以采用玻璃鋼、塑料、鋁板和鋼板等材料。由于蜂窩夾芯復合板具有輕質(zhì)、比強度和比剛度高、抗振、隔熱、隔音和阻燃等特點，故在汽車車身上獲得較多應用，如車身外板、車門、車架、保險杠、座椅框架等。英國發(fā)明了一種以聚丙烯作芯，鋼板為面板的薄夾層板用以替代鋼制車身外板，使零件質(zhì)量減輕了50%~60%，且易于沖壓成型。

7.工程塑料
      與通用塑料相比，工程塑料具有優(yōu)良的機械性能、電性能、耐化學性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等特點，且比要取代的金屬材料輕、成型時能耗少。二十世紀七十年代起，以軟質(zhì)聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、襯墊類、緩沖材料等塑料在汽車工業(yè)中被廣泛采用。福特公司開發(fā)的LTD試驗車，塑料化后的車身取得了輕量化方面的明顯成果。 

      中國工程塑料工業(yè)普遍存在工藝落后、設備陳舊、規(guī)模小、品種少、質(zhì)量不穩(wěn)定的狀況，而且價格高，缺乏市場競爭力。工程塑料在汽車上的應用僅相當于國外上世紀八十年代的水平。如上海桑塔納轎車塑料用量僅為2.86kg/輛，紅旗CA7228型轎車為2.4kg/輛，而日本轎車平均為14kg/輛，寶馬則更高，為35.64kg/輛。但這種局面將很快被打破，由上海普利特復合材料有限公司投資新建、國內(nèi)最大的汽車用高性能ABS工程塑料生產(chǎn)基地日前在上海建成投產(chǎn)。此項目引進了世界先進的工程塑料生成線和試驗檢測儀器等設備，形成了年產(chǎn)15,000噸高性能ABS工程塑料的能力。

8.高強度纖維復合材料
      高強度纖維復合材料，特別是碳纖維復合材料（CFRP），因其質(zhì)量小，而且具有高強度、高剛性，有良好的耐蠕變與耐腐蝕性，因而是很有前途的汽車用輕量化材料。碳纖維復合材料在汽車上的應用，美國開展的最好。 
       
       二十世紀八十年代后期，復合材料車身外覆件得到大量的應用和推廣，如發(fā)動機罩、翼子板、車門、車頂板、導流罩、車廂后擋板等，甚至出現(xiàn)了全復合材料的卡車駕駛室和轎車車身。據(jù)統(tǒng)計，在歐美等國汽車復合材料的用量約占本國復合材料總產(chǎn)量的33％左右，并繼續(xù)呈增長態(tài)勢，復合材料作為汽車車身的外覆件來說，無論從設計還是生產(chǎn)制造、應用都已成熟，并已從車身外覆件的使用向汽車的內(nèi)飾件和結(jié)構(gòu)件方向發(fā)展。

（二）車身新材料應用的現(xiàn)狀
      目前，國內(nèi)外車身輕量化的研究方向是開發(fā)具有較高強度的輕質(zhì)高性能新材料及設計新的輕量化結(jié)構(gòu)。通過多年的探索，已取得了新的進展。德國大眾九十年代末開發(fā)的路波TDI車型就是采用新設計、新材料、新工藝的綜合成果。 

      TDI所有車身部件都是輕質(zhì)金屬制成的，包括前擋泥板、車門、發(fā)動機罩和尾門，其中尾門的金屬外層是鋁質(zhì)，內(nèi)板是鎂制成的。汽車的內(nèi)部設備許多也是輕質(zhì)金屬制成的，如，座椅的框架由鋁制成，方向盤的內(nèi)骨架是鎂制成。乘客艙和發(fā)動機室之間組合隔板是鋁質(zhì)的。支撐結(jié)構(gòu)通常也是由高強度的薄板金屬制成的。 

       為解決新材料的防腐蝕保護和連接，大眾采用創(chuàng)新的沖孔鉚接法、迭邊壓接、激光釬焊等技術(shù)。
        路波TDI的自重為830kg，包括417kg（50.5％）的鋼、136kg輕質(zhì)金屬（16.4％，包括3.7kg的鎂）、116kg塑料（14.0％）。在保證車身抗扭剛度、使用壽命和安全性的前提下，車身的重量減輕了50kg，汽車的總重減輕了154kg。由于汽車自重大幅度減輕，使得百公里油耗降至2.99升，總能量消耗只是傳統(tǒng)汽車的一半。這意味著二氧化碳的排放量也將減少一半，碳氫化合物的排放量降到四分之一，是典型的環(huán)保型轎車，也是世界上批量生產(chǎn)的最經(jīng)濟轎車之一。

（三）新材料應用的發(fā)展趨勢
1.新材料回收再用性的研究
      研究汽車新材料的最終處置問題至關(guān)重要，從某種程度上講，關(guān)系到它的生存與發(fā)展。目前，汽車上約占自重25％的材料無法回收再用，其中三分之一為各種塑料，三分之一為橡膠，還有三分之一為玻璃、纖維。鑒于這種情況，世界各國都花費大量的人力、物力進行材料的回收再生問題的研究。現(xiàn)在可以通過三種途徑進行回收：顆?；厥?，重新碾磨；化學回收，高溫分解；能源回收，將廢棄物作為燃料。 

       德國在回收塑料等材料的法規(guī)是世界上最為完善的，其管理方式非常明確，即首先是避免產(chǎn)生，然后才是“循環(huán)使用”和“最終處理”。1991年規(guī)定回收塑料中的60％必須是機械性回收，另有40％可以機械回收，也可以采用填埋或能量回收的方式。通過十年的努力，現(xiàn)在的回收率已高達87％。日本是循環(huán)經(jīng)濟立法最全面的國家，其目的是建立一個資源“循環(huán)型社會”。為此，日本對廢舊塑料的回收利用一直保持積極態(tài)度。此外，日本還大力支持以廢塑料為主的工業(yè)垃圾發(fā)電事業(yè)。計劃到2010年在全國建立150個廢塑料發(fā)電設備。

2.減少材料的品種
      未來汽車在工程塑料類型的選擇上將會發(fā)生巨大的變化。目前汽車使用的塑料由幾十種高分子材料組成，當前世界各大汽車公司致力于減少車用塑料的種類，并盡量使其通用化。這將有利于材料的回收再生和生態(tài)環(huán)境的保護。

3.降低成本
      制約汽車車身新材料應用的重要因素是價格。作為主要新材料的高強度鋼、玻璃纖維增強材料、鋁和石墨增強，其成本分別為普通碳鋼的1.1倍、3倍、4倍和20倍。所以只有大幅度降低這些新材料的制造成本，才可能使諸多新材料進入批量生產(chǎn)。如玻璃纖維增強材料將在成本上成為鋼材的有力競爭者，雖然它的重量減輕有限，但價格卻能為用戶接受。石墨合成材料盡管性能良好，但因其成本居高不下，目前它在汽車工業(yè)上很難有所作為。

4.先進的制造工藝的研發(fā) 
      采用新材料與先進的制造工藝是相輔相成的，汽車工業(yè)正在努力開發(fā)新的制造方法，對傳統(tǒng)的工藝進行更新。例如：適用于輕量化設計的連接工藝今年來有所發(fā)展，如德國某汽車公司在大批生產(chǎn)的轎車上采用CO₂激光束焊接，與傳統(tǒng)的焊接工藝相比，焊接成的高強度鋼板車身的強度提高了50％。又如，一些復合材料的SMC殼體的材料較厚，大約為2.5～3mm，限制了輕量化的幅度。法國雷諾公司采用新的A級表面精度的SMC模壓技術(shù)和低密度填料，減薄了零件厚度，使轎車殼體重量比普通SMC工藝下降了30％。

5.車身設計方法的革命
      據(jù)歐洲汽車界人士預測，在今后十年中，轎車自身質(zhì)量還將減輕20％，除了大量采用復合材料和輕質(zhì)合金外，車身設計方法也將發(fā)生重大變化。 

      由于大量采用新型材料，傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)及其設計方法可能不再適用，取而代之的是一種基于生物學增長規(guī)律的形狀優(yōu)化設計法，這種設計方法即能減少零件質(zhì)量，又延長了零件的使用壽命。此外，采用新的設計方法還能使車身零件數(shù)大幅度減少。如某車型的零件數(shù)已由400個減少到75個，質(zhì)量減輕30％。美國克萊斯勒汽車公司尚未投放市場的概念車由于采用了創(chuàng)新的優(yōu)化設計法，使整車自重降至544kg。這說明輕量化設計具有極大的潛力。

制造汽車所用的材料，由于節(jié)省能源、節(jié)省資源、輕量化的需要而有所變化。在這種情況下新材料被相繼推出、應用，在應用得比較成熟的金屬材料中，鋼鐵材料和輕金屬材料也出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢。