本報通訊員 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”排放標準?！皣迸欧艠藴史譃閍b兩個(gè)標準，a標準略嚴于歐洲第六階段排放標準限值水平，b標準限值相當于美國Tier3排放標準中規定的2020年平均限值?！皣钡降子卸鄧?？我們舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，與“國五”排放標準限值相比，“國六”b標準的一氧化碳和氮氧化物限值分別下降了50%和42%?？梢?jiàn)，我國推進(jìn)超低排放的決心之大。這對汽車(chē)行業(yè)而言相當于指明了發(fā)展方向，即實(shí)現節能減排和車(chē)身輕量化。
汽車(chē)要實(shí)現輕量化必然需要研發(fā)輕量化材料?！凹筛邚婁?、鋁合金、鎂合金、碳纖維等多種輕質(zhì)材料是未來(lái)汽車(chē)用材的發(fā)展方向?！边@是《中國冶金報》記者從日前在重慶大學(xué)召開(kāi)的以“新材料、新工藝、新技術(shù)”為主題的2019汽車(chē)輕量化與高性能材料技術(shù)論壇上獲知的信息。
節能減排要求輕量化
全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正面臨深刻變革，在環(huán)保需求、安全法規、信息技術(shù)和人工智能的綜合推動(dòng)下，汽車(chē)行業(yè)正向著(zhù)“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，這就對汽車(chē)的開(kāi)發(fā)目標、研發(fā)手段和測評技術(shù)等都提出了更高要求。
再加上我國近年來(lái)大氣污染嚴重，汽車(chē)行業(yè)節能減排壓力巨大。從環(huán)保需求來(lái)看，目前我國汽車(chē)用汽、柴油消費量占全國汽、柴油消費量的55%，每年新增石油消費量的70%以上被新增汽車(chē)所消耗。石油消費的快速增加，一方面增加了能源供應壓力，造成我國原油對外依存度逐年增加；另一方面也導致我國碳排放量迅速增加，對環(huán)境造成不可逆的影響。
在全球倡導節能減排的背景下，我國明確提出到2020年乘用車(chē)新車(chē)平均燃料消耗量降至5升/100公里。在采用“國六”的排放標準后，對汽車(chē)行業(yè)的節能減排技術(shù)提出了更高要求。
“在汽車(chē)行業(yè)節能減排路徑中，汽車(chē)輕量化是最容易實(shí)現、潛力相對較大的方式?！遍L(cháng)安汽車(chē)工程研究總院副總經(jīng)理馮剛說(shuō)，“研究發(fā)現，汽車(chē)整車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；汽車(chē)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?！?/p>
此外，對于新能源汽車(chē)而言，汽車(chē)輕量化更是解決續航問(wèn)題的有效途徑?！澳壳半妱?dòng)化已是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)不可逆轉的潮流。由于電驅動(dòng)本身的技術(shù)及配套產(chǎn)品的成熟度較低，同平臺下的電動(dòng)車(chē)整備質(zhì)量往往比燃油車(chē)更重。為了跨過(guò)續航門(mén)檻，電動(dòng)化時(shí)代下的輕量化需求更為迫切?！敝貞c大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院“百人計劃”研究員詹振飛認為。
輕量化務(wù)必選材得當
實(shí)現汽車(chē)輕量化主要有兩個(gè)途徑：一是通過(guò)整車(chē)和零部件優(yōu)化結構設計，如除去零部件多余部分（薄壁化、中空化），減少零件數量，設計全新結構等；二是輕量化材料和工藝開(kāi)發(fā)，即用低密度材料代替鋼鐵材料的應用，主要采用輕量化材料以減輕零部件重量。
從長(cháng)期來(lái)看，合適的輕量化材料應用到合適的部位，才能最大程度上發(fā)揮材料特性?！捌?chē)輕量化首先要選材得當，利用新的成型技術(shù)優(yōu)化零部件結構，使合適的材料用在合適的車(chē)身部件上，可以減輕車(chē)身重量?！焙愉摷瘓F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(lái)看，高強鋼可以降低鋼板厚度，主要用于外覆蓋件、白車(chē)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)機缸體、方向盤(pán)骨架等非結構件。并且，從近期應用結合未來(lái)發(fā)展來(lái)看，高強鋼、鋁合金仍然是當下主流的輕量化材料，而鎂合金目前呈現出的輕量化效果較好，具有較大的增長(cháng)空間。
中國現在已經(jīng)成為汽車(chē)用鎂合金零部件的生產(chǎn)大國。中國工程院院士潘復生教授認為，鎂合金輕量化效果好，資源豐富，功能特性?xún)?yōu)良，其擴大應用對全球節能減排和緩解礦業(yè)資源危機具有重要的戰略意義，再加上鎂合金比強度高可以明顯減輕車(chē)身重量，同時(shí)可以實(shí)現減振降噪、屏蔽電磁輻射等，在汽車(chē)、摩托車(chē)和其他軌道交通等方面有廣泛的應用前景。
此外，鋁合金具有比強度高、耐腐蝕和良好的加工成型性，熱處理后強度可與鋼相媲美，是汽車(chē)輕量化主要選擇的替代材料。目前，我國交通運輸業(yè)用鋁的比例約為20%，增長(cháng)空間廣闊。
研發(fā)空間巨大
新材料的應用要經(jīng)歷一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程。由于汽車(chē)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(mén)、多平臺、多學(xué)科的綜合，其問(wèn)題的復雜性遠遠高于普通產(chǎn)品。雖然與10年前相比，我國基本上解決了汽車(chē)材料輕量化的設計問(wèn)題，但離國際先進(jìn)水平仍有很長(cháng)一段距離，頗具挑戰性。
其中，汽車(chē)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(chē)選材、用材和實(shí)現輕量化的突破口?！罢?chē)結構輕量化必須在保證整車(chē)結構力學(xué)性能指標的前提下實(shí)施，如剛度性能、強度性能、NVH（即噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度）特性和結構耐撞性，需根據工程經(jīng)驗反復修正方案?！敝貞c大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院張志飛副教授說(shuō)。
在汽車(chē)輕量化用新材料研發(fā)方面，上海交通大學(xué)劉釗建議，碳纖維復合材料具有多尺度特性，在細觀(guān)和介觀(guān)尺度上存在結構特征復雜、力學(xué)性能參數不確定等難題，可開(kāi)展不確定性的碳纖維復合材料本構建模以及多尺度不確定性?xún)?yōu)化方案研究，對推動(dòng)復合材料在汽車(chē)輕量化中的應用意義重大。
同時(shí)，搭建交流合作平臺也是促進(jìn)汽車(chē)輕量化用材料發(fā)展的關(guān)鍵。在車(chē)型開(kāi)發(fā)的不同階段，零部件的優(yōu)化設計需要綜合考慮安全性、經(jīng)濟性和技術(shù)成熟度等很多復雜因素，研發(fā)出的新材料和新技術(shù)，必須由材料供應商、車(chē)企等緊密配合，經(jīng)過(guò)使用驗證和系統評價(jià)才能走向成熟、走向市場(chǎng)，真正達到整車(chē)輕量化的目的，從而實(shí)現材料替代和節能減排。
此外，鋼鐵材料是汽車(chē)最重要和不可或缺的材料，汽車(chē)輕量化和高強度鋼材的研發(fā)已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)的重要課題?！皬闹圃斓椒?wù) ，實(shí)現產(chǎn)學(xué)研用的深度融合，才能全方位推進(jìn)汽車(chē)輕量化發(fā)展?！焙愉摷瘓F鋼研總院首席工程師齊建軍說(shuō)。
《中國冶金報》（2019年06月26日 03版三版）
