1.2 乘用车轻量化材料

实现汽车轻量化的途径主要有3种，即材料轻量化、结构轻量化和工艺轻量化，其中材料轻量化是实现轻量化的基础。乘用车材料轻量化离不开高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料等轻量化材料的应用，以下对上述轻量化材料在乘用车上的应用进行简单介绍。

1.2.1 高强度钢

高强度钢主要用于车身外板和车身结构件，是与汽车轻量化关系最为密切的材料，同时也是汽车轻量化后保证碰撞安全的最主要材料，它的用量直接决定了汽车的轻量化水平。高强度钢不仅可以有效减轻车身重量，还可以提高车身结构的刚度、强度和被动安全性。高强度钢因性能和成本等方面的优势，目前仍是市场上最受欢迎的汽车轻量化材料，同时也是中低端乘用车轻量化的首选材料，国外入门级乘用车的车身材料也以高强度钢为主。

高强度钢的分类和定义，国内外尚无统一的标准，一般采取按照强度划分，通常将屈服强度小于210MPa，抗拉强度小于270MPa的钢称为低强度钢；屈服强度在210～510MPa，抗拉强度270～700MPa的钢称为高强度钢；屈服强度高于510MPa，抗拉强度高于700MPa的钢称为超高强度钢。欧洲车身会议对汽车用钢板的分类是按照冶金学的组织类型来分类的，将钢种分为传统低碳钢、高强度钢、先进高强度钢和超高强度钢等，见表1-4。

目前，为提升被动安全性，乘用车越来越多地在主要安全件中（A、B、C柱和前保险杠防撞梁、门防撞杆及保险杠防冲击柱等）采用超高强度钢，其抗拉强度和屈服强度分别可达到1500MPa和1200MPa。凯迪拉克的A/B柱内板、地板中通道、横梁等关键部件均采用先进高强度钢，通过结构优化设计，使钢制下车体结构比铝制下车体减重6kg。沃尔沃XC90白车身上高强度钢用量占白车身重量的70%以上，见图1-4。

1.2.2 铝合金

铝合金是综合性能良好的轻量化材料之一。在汽车轻量化中，铝合金有着独特的优势：①密度低（2.7g/cm³），只有钢材的三分之一，具有良好的导热性（仅次于铜），机械加工性能比铁好；②比刚度和比强度高，吸收冲击性能良好；③资源丰富，再生性能好，在使用过程中，铝几乎不会发生腐蚀或仅仅发生轻微腐蚀；④回收价值较高，在铝的回收再利用过程中，铝的损耗只有5%左右，其再生性能比任何一种常用金属都高。

铝合金在汽车上的应用已相当广泛，主要用于覆盖件（发动机舱盖、行李舱盖、车顶、翼子板和车门等）和结构件（前后防撞横梁、减振塔和仪表横梁等）。目前，铝合金在底盘和车身上均有成熟应用，例如：路虎揽胜、蔚来ES8和凯迪拉克CT6均采用了全铝底盘；福特2015款F150采用全铝车身，相比钢制车身减重300kg；通用新一代克尔维特采用铝合金框架结构，刚度比原钢制车架提升57%，减重45kg；凯迪拉克全新CT6车身框架的64%都是由铝合金材料制造的，相比全钢车身重量减轻了90kg；特斯拉的车身采用了大量铝合金挤压件、冲压件和铸件，铝合金应用比例达到了97%。在新能源汽车的典型代表特斯拉Model S的白车身上，铝合金的用量占比达90%以上，仅前后防撞梁及AB柱使用了钢材，前减振塔、前纵梁后段、后纵梁采用铸铝，下车身所有横梁与纵梁采用铝型材，其余位置使用铝板冲压。特斯拉Model S铝合金车身见图1-5。

此外，在当前的汽车零件制造中，泡沫铝及铝基复合材料也在研究与探索中。

1.2.3 镁合金

镁的密度仅为铝的三分之二，是所有车身材料中最轻的，具有比强度和比刚度高、易于加工成型和抗振性能好等优点。采用镁合金制造的零件能在应用铝合金的基础上再减重15%～20%，轻量化效果十分可观，但成本高于铝合金和钢。目前，北美和欧洲车企使用的镁合金较多。欧洲使用和研制的镁合金汽车零部件已超过60种，北美使用和研制的镁合金零部件已超过100种，但受成本和重量限制，我国车企的镁合金用量还十分有限。国内应用最成熟的是压铸镁合金转向盘骨架。个别车型已成功应用镁合金座椅骨架、仪表板横梁和轮毂等。

镁合金的电化学腐蚀趋势的重要参数自由焓和电极电位在车身常用金属中是最低的，因此它在汽车中应用时人们最担心的问题便是腐蚀问题以及腐蚀产生后对疲劳和寿命的影响，所以如何解决镁合金的腐蚀问题是镁合金扩大应用的重点课题。

1.2.4 塑料

日本在2018年推出首款90%零部件用各种塑料制成的汽车，虽然该塑料汽车目前还处于概念阶段，短期内车用塑料不会发生革命性的变化，但其代表着塑料在汽车轻量化方面的广阔前景，对国内车用塑料零部件的发展，有着重要的引领作用。

塑料在汽车上的轻量化应用主要从四个方面进行考虑：低密度、薄壁化、微发泡和以塑代钢，下面将逐一进行介绍。

1. 低密度材料

低密度材料在新能源汽车上的应用主要有2个途径：

（1）同种材料通过调整配方降低零件密度 例如：低密度PP材料通过降低PP改性材料中滑石粉的用量来降低PP改性材料的密度，通过配方调整可以达到和高滑石粉填充改性PP材料相近的尺寸收缩率、物理性能及耐热性能，从而达到减重的目的。目前，该方案在门护板、立柱护板和保险杠中应用广泛。以众泰开发的某车型门护板方案为例，密度从1.05g/m³降低至0.95g/m³，可减重10%；另外，通过降低配方中填料的密度也是降低零件密度的一个方向，例如：玻璃微珠增强PP材料就是把配方中的部分滑石粉替换为玻璃微珠，同时通过调整配方达到替换材料相近的性能，通过采用门护板零件试模验证，该方案可减重10%，但是材料价格较高，性价比不高。

（2）通过异种塑料材料替换可以降低零件密度 例如：采用PP-LGF40代替PA6 -GF30做换挡底座，减重可达11%。该方案在吉利领克、凯翼X3中均有成功应用；另外，此替代方案在离合踏板或加速踏板中亦有成功应用；采用特殊PP-GF35代替PA6 -GF30制作进气歧管，可以减重15%，目前，该方案在福特1.5L发动机和大众1.4L与1.6L发动机上均有成功应用；采用特殊PP-GF35代替PA66-GF30做冷却风扇护罩，在本田雅阁和现代伊兰特车上已成功应用。

2. 薄壁化材料

薄壁化材料在汽车上的应用，最典型的案例就是薄壁保险杠。薄壁化材料是指通过提高PP材料的弯曲模量、冲击韧性和流动性来减小壁厚，从而达到减重的目的。以众泰开发的某薄壁保险杠为例，壁厚由3.0mm减重至2.5mm，减重达16.7%。

3. 微发泡材料

微发泡材料是指以塑料材料（如：PP+EPDM-T20、PP-LGF20、HDPE、ABS和PC+ABS等）为基体，通过注塑工艺，在气体内压作用下，使制品中间分布从十几到几十微米的封闭微孔，而两侧有着致密的表皮结构，从而达到省料和减重的效果。该方案在汽车上应用的主要零部件有门护板、仪表板本体、杂物箱盖板、副仪表板延伸板、左右盖板及装饰板和空调风道等。例如：宝马F35 IP骨架采用PP-LGF20化学发泡，减重约40%；大众VW511门护板采用PP+EPDM-T20材料发泡，减重16.7%。

4. 以塑代钢

以塑代钢是塑料材料在汽车上最典型的轻量化应用方向。涉及的材料主要包括短玻纤增强尼龙材料、长玻纤增强尼龙材料、长玻纤增强PP材料以及PPE+PA材料等。

（1）短玻纤增强尼龙材料 尼龙材料特别是短纤增强尼龙6和尼龙66材料是以塑代钢的重要材料。例如：本田思域的后视镜支架采用PA66-GF55代替金属材料、丰田凯美瑞的储物箱支架采用PA66-GF55代替金属材料等。

（2）长玻纤增强尼龙材料 长玻纤增强尼龙材料是DSM公司和EMS公司研制出的一种高强塑料。该材料具有良好的冲击性能、耐蠕变性能和刚性，即使在高温下也能保持良好的抗蠕变性能。目前，该材料在塑料仪表横梁和塑料座椅骨架上均有成功应用。宝马M4 GTS车型上采用该材料方案将72个零件集成为1个，减重1.6kg。别克君威GS的座椅骨架亦采用了该材料。

（3）长玻纤增强PP材料 采用PP-LGF40材料代替金属做塑料前端模块是最典型的应用案例之一，该方案不仅可以减重，而且可以使产品拥有更高的尺寸精度、更好的安装性能、更低的产品价格和更高的集成程度，目前，众泰已经在平台化推广该材料。采用PP-LGF20或PP-LFG30代替金属做塑料门模块亦是该材料最典型的应用之一，红旗HS7和一汽X80的塑料门模块均是采用此方案。另外，采用PP-LGF40代替金属材料做塑料尾门内板亦是成熟的轻量化方案。该方案在长安CS35、奇瑞小蚂蚁、东风AX4、奇骏等塑料门护板上均有成熟应用。

（4）PPE+PA材料 PPE是五大工程塑料之一，它具有相对密度小、无毒、刚性大、耐热性高、难燃、强度高，电性能优良，抗蠕变性好，耐应力松弛，抗疲劳强度高，几乎不受温度、湿度的影响等优点，但是它存在一个致命的弱点，即熔融流动性差，加工成型困难。众所周知，PA材料耐热性好，耐冲击性能优，成型时流动性好；缺点是吸湿性强，导致长期尺寸不稳定；PPE+PA材料正好可以改善PPE的流动性和抗冲击性能以及PA的吸湿性和长期尺寸不稳定性。目前，该材料代替金属在塑料加油口盖、塑料翼子板上均已成功应用。塑料加油口盖在众泰车型上已平台化。以塑料翼子板为例，PPE+PA材料密度为1.10g/cm³，材料厚度为2.5mm，钢材翼子板密度为7.85g/cm³，材料厚度为0.7mm，这样可以得出同一个翼子板塑料材质的重量比钢材质的翼子板减轻40%～50%。

1.2.5 复合材料

1. SMC材料

SMC（Sheet Molding Compound）是指经过树脂浸渍短切纤维或毡等增强材料，内含固化剂、脱模剂、填料、低收缩剂、增稠剂等赋予此混合物不同性能的片状模塑料，可用于模压成型，在高温、高压下交联、固化成三维网状结构。SMC材料具有以下特点：①优异的机械性能，在高温和低温环境下强度基本不变。②与金属相似的热膨胀系数，可以实现和铝、钢的混合安装和粘接。③材料收缩率极低，可以达到零收缩，产品尺寸易控制，有利于外观匹配。④可以实现零部件功能的集成化，减少模具投入及后加工费用。⑤SMC的内阻尼比铝或钢大约高10倍，具有优异的降噪能力。⑥设计自由，可实现产品的内着色，可在线涂装。⑦可实现高的阻燃性，满足最严格的防火要求（BS6853）。⑧较好的透波性，可实现天线一体化设计（GPS、GSM、FM/AM），降低安装成本。⑨优异的电绝缘性能。SMC材料在新能源汽车上可应用的部位很多，如：吉利英伦出租车的四门、后背门、翼子板、侧围和车顶等都是SMC材料。另外，SMC材料做电动车电池的壳体已是很成熟的应用。

2. GMT材料

GMT（Glass Mat Reinforced Thermoplastic）即玻纤毡增强热塑性材料，它是一种以热塑性树脂为基体，以玻璃纤维毡为增强体的复合材料。它通常是以2层玻璃纤维针刺毡与3层热塑性树脂（如PP、PA、PET和PBT等）复合而成的一种复合材料片材。纤维可以是短切玻璃纤维或连续玻璃纤维毡，热塑性树脂可以是通用塑料、工程塑料和高性能塑料，其中热塑性树脂为PP的GMT材料（GMT-PP）产品发展最早，应用最广。GMT材料采用模压成型工艺，密度约为1.1～1.2g/cm³，具有高抗冲击韧性、比强度高、设计自由度高以及易于功能整合等优点。GMT材料在国内外车型车底护板上的应用实例较多，如一汽奥迪A4、丰田威乐、上海大众帕萨特B5和桑塔纳2000等。另外，在新能源汽车上，GMT材料还可用来生产汽车备胎舱、前端模块、塑料后防撞横梁等零件。

3. LWRT材料

LWRT（Light Weight Reinforced Thermoplastic）是轻质热塑性复合材料的简称。它是一种多孔新型复合材料，由树脂、玻纤和大量空隙形成，其中，面密度为300～2000g/m²，体积密度为0.2～0.8g/cm³，可以根据需要调节，具有良好的可设计性。在制备过程中，预先分散在纤维间的树脂经熔融、流动、固化，与玻纤形成了具有一定结构的多孔复合材料，经加热成型后，其膨化高度可达到原来的5～6倍。LWRT材料的特殊结构使其不仅可以吸声降噪，其热膨胀系数还低于铝板而接近钢板，比强度也较高。目前，该材料在车身底护板上已经成熟应用，在顶篷上的应用正在研究中。

4. 碳纤维增强复合材料（CFRP）

碳纤维增强复合材料（Carbon Fi-ber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）的重量仅相当于钢材的20%～30%，硬度却是钢材的10倍以上。因密度小和比强度、比模量、集成度高等特点，CFRP在汽车领域掀起了一股应用热潮。例如：CFRP在宝马i3“Life”乘员舱（图1-6）以及宝马新7系的“carbon core”车身上均有成功应用。另外，沃尔沃XC90的板簧也是采用CFRP制作而成，与传统板簧相比减重65%（减重4.5kg）。

1.2.6 橡胶

除轮胎、门窗密封条、胶管外，其他橡胶零件均较小，如大部分密封圈、重量不超过10g。由于橡胶使用比例较小，在整车轻量化的研究中，之前一直不受重视。近几年来，由于能源危机、环境污染等问题，人们对轻量化的需求越来越剧烈，基本达到了斤斤计较的地步。

特别是随着热塑性弹性体（Thermoplastic Elastomer，TPE）应用技术的发展，橡胶零件在结构设计、材料选择、工艺等方面进入了一个新的阶段，其在整车轻量化中的作用也逐渐凸显。

TPE也叫热塑性橡胶（TPR），是继NR、合成橡胶后的第三代橡胶。汽车用TPE主要有热塑性聚烯烃弹性体（TPO）、热塑性聚酯弹性体（TPC）、热塑性聚氨酯弹性体（TPU）、苯乙烯类热塑性弹性体（TPS）等。另外，汽车上也用到一些其他类弹性体，如聚酰胺类热塑性弹性体（TPA）、氟硅类弹性体、NBR+PVC等。

TPE性能和橡胶类似，成型工艺多样化，是目前替代传统橡胶的理想材料。由于TPE密度较传统橡胶低，因此，TPE替代橡胶是轻量化的重要路径之一。

除TPE替代传统橡胶外，还有零件结构的优化、橡胶配方的优化、软质塑料替代橡胶、新工艺应用等方面，可实现橡胶零件的轻量化。本书第二章到第四章，对乘用车用橡胶的性能、应用及其轻量化进行重点介绍。