本報(bào)通訊員 部虎 任雪昭 記者 孫學(xué)軍
今年7月份，上海、廣州、天津等地將實(shí)施“國六”排放標(biāo)準(zhǔn)。“國六”排放標(biāo)準(zhǔn)分為ab兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，a標(biāo)準(zhǔn)略嚴(yán)于歐洲第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)限值水平，b標(biāo)準(zhǔn)限值相當(dāng)于美國Tier3排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的2020年平均限值。“國六”到底有多嚴(yán)？我們舉個(gè)例子來說，與“國五”排放標(biāo)準(zhǔn)限值相比，“國六”b標(biāo)準(zhǔn)的一氧化碳和氮氧化物限值分別下降了50%和42%。可見，我國推進(jìn)超低排放的決心之大。這對(duì)汽車行業(yè)而言相當(dāng)于指明了發(fā)展方向，即實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和車身輕量化。
汽車要實(shí)現(xiàn)輕量化必然需要研發(fā)輕量化材料。“集成高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維等多種輕質(zhì)材料是未來汽車用材的發(fā)展方向。”這是《中國冶金報(bào)》記者從日前在重慶大學(xué)召開的以“新材料、新工藝、新技術(shù)”為主題的2019汽車輕量化與高性能材料技術(shù)論壇上獲知的信息。
節(jié)能減排要求輕量化
全球汽車產(chǎn)業(yè)正面臨深刻變革，在環(huán)保需求、安全法規(guī)、信息技術(shù)和人工智能的綜合推動(dòng)下，汽車行業(yè)正向著“新四化”（電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化）的發(fā)展方向變革，這就對(duì)汽車的開發(fā)目標(biāo)、研發(fā)手段和測(cè)評(píng)技術(shù)等都提出了更高要求。
再加上我國近年來大氣污染嚴(yán)重，汽車行業(yè)節(jié)能減排壓力巨大。從環(huán)保需求來看，目前我國汽車用汽、柴油消費(fèi)量占全國汽、柴油消費(fèi)量的55%，每年新增石油消費(fèi)量的70%以上被新增汽車所消耗。石油消費(fèi)的快速增加，一方面增加了能源供應(yīng)壓力，造成我國原油對(duì)外依存度逐年增加；另一方面也導(dǎo)致我國碳排放量迅速增加，對(duì)環(huán)境造成不可逆的影響。
在全球倡導(dǎo)節(jié)能減排的背景下，我國明確提出到2020年乘用車新車平均燃料消耗量降至5升/100公里。在采用“國六”的排放標(biāo)準(zhǔn)后，對(duì)汽車行業(yè)的節(jié)能減排技術(shù)提出了更高要求。
“在汽車行業(yè)節(jié)能減排路徑中，汽車輕量化是最容易實(shí)現(xiàn)、潛力相對(duì)較大的方式。”長安汽車工程研究總院副總經(jīng)理馮剛說，“研究發(fā)現(xiàn)，汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；汽車整備質(zhì)量每減少100千克，百公里油耗可降低0.3升~0.6升。”
此外，對(duì)于新能源汽車而言，汽車輕量化更是解決續(xù)航問題的有效途徑。“目前電動(dòng)化已是汽車產(chǎn)業(yè)不可逆轉(zhuǎn)的潮流。由于電驅(qū)動(dòng)本身的技術(shù)及配套產(chǎn)品的成熟度較低，同平臺(tái)下的電動(dòng)車整備質(zhì)量往往比燃油車更重。為了跨過續(xù)航門檻，電動(dòng)化時(shí)代下的輕量化需求更為迫切。”重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院“百人計(jì)劃”研究員詹振飛認(rèn)為。
輕量化務(wù)必選材得當(dāng)
實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要有兩個(gè)途徑：一是通過整車和零部件優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如除去零部件多余部分（薄壁化、中空化），減少零件數(shù)量，設(shè)計(jì)全新結(jié)構(gòu)等；二是輕量化材料和工藝開發(fā)，即用低密度材料代替鋼鐵材料的應(yīng)用，主要采用輕量化材料以減輕零部件重量。
從長期來看，合適的輕量化材料應(yīng)用到合適的部位，才能最大程度上發(fā)揮材料特性。“汽車輕量化首先要選材得當(dāng)，利用新的成型技術(shù)優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)，使合適的材料用在合適的車身部件上，可以減輕車身重量。”河鋼集團(tuán)鋼研總院首席工程師王立輝博士在此次論壇上表示。
從不同材料分析來看，高強(qiáng)鋼可以降低鋼板厚度，主要用于外覆蓋件、白車身和懸掛件等；鋁合金、鎂合金和工程塑料等低密度輕質(zhì)材料，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、方向盤骨架等非結(jié)構(gòu)件。并且，從近期應(yīng)用結(jié)合未來發(fā)展來看，高強(qiáng)鋼、鋁合金仍然是當(dāng)下主流的輕量化材料，而鎂合金目前呈現(xiàn)出的輕量化效果較好，具有較大的增長空間。
中國現(xiàn)在已經(jīng)成為汽車用鎂合金零部件的生產(chǎn)大國。中國工程院院士潘復(fù)生教授認(rèn)為，鎂合金輕量化效果好，資源豐富，功能特性優(yōu)良，其擴(kuò)大應(yīng)用對(duì)全球節(jié)能減排和緩解礦業(yè)資源危機(jī)具有重要的戰(zhàn)略意義，再加上鎂合金比強(qiáng)度高可以明顯減輕車身重量，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)減振降噪、屏蔽電磁輻射等，在汽車、摩托車和其他軌道交通等方面有廣泛的應(yīng)用前景。
此外，鋁合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕和良好的加工成型性，熱處理后強(qiáng)度可與鋼相媲美，是汽車輕量化主要選擇的替代材料。目前，我國交通運(yùn)輸業(yè)用鋁的比例約為20%，增長空間廣闊。
研發(fā)空間巨大
新材料的應(yīng)用要經(jīng)歷一個(gè)漫長的過程。由于汽車輕量化包含不確定性分析、最優(yōu)化方法、近似建模等多領(lǐng)域的理論與技術(shù)，又涉及安全性、可靠性、耐久性以及舒適性等多個(gè)學(xué)科，是多部門、多平臺(tái)、多學(xué)科的綜合，其問題的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通產(chǎn)品。雖然與10年前相比，我國基本上解決了汽車材料輕量化的設(shè)計(jì)問題，但離國際先進(jìn)水平仍有很長一段距離，頗具挑戰(zhàn)性。
其中，汽車材料及制造成本、輕量化效果和技術(shù)成熟度之間的平衡成為汽車選材、用材和實(shí)現(xiàn)輕量化的突破口。“整車結(jié)構(gòu)輕量化必須在保證整車結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)的前提下實(shí)施，如剛度性能、強(qiáng)度性能、NVH（即噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度）特性和結(jié)構(gòu)耐撞性，需根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)反復(fù)修正方案。”重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院張志飛副教授說。
在汽車輕量化用新材料研發(fā)方面，上海交通大學(xué)劉釗建議，碳纖維復(fù)合材料具有多尺度特性，在細(xì)觀和介觀尺度上存在結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜、力學(xué)性能參數(shù)不確定等難題，可開展不確定性的碳纖維復(fù)合材料本構(gòu)建模以及多尺度不確定性優(yōu)化方案研究，對(duì)推動(dòng)復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用意義重大。
同時(shí)，搭建交流合作平臺(tái)也是促進(jìn)汽車輕量化用材料發(fā)展的關(guān)鍵。在車型開發(fā)的不同階段，零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)成熟度等很多復(fù)雜因素，研發(fā)出的新材料和新技術(shù)，必須由材料供應(yīng)商、車企等緊密配合，經(jīng)過使用驗(yàn)證和系統(tǒng)評(píng)價(jià)才能走向成熟、走向市場(chǎng)，真正達(dá)到整車輕量化的目的，從而實(shí)現(xiàn)材料替代和節(jié)能減排。
此外，鋼鐵材料是汽車最重要和不可或缺的材料，汽車輕量化和高強(qiáng)度鋼材的研發(fā)已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)的重要課題。“從制造到服務(wù) ，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研用的深度融合，才能全方位推進(jìn)汽車輕量化發(fā)展。”河鋼集團(tuán)鋼研總院首席工程師齊建軍說。
《中國冶金報(bào)》（2019年06月26日 03版三版）
