1、汽车用新材料课程论文汽车用新材料的研究发展状况(Research on the development situation of new materials for automobile)学院名称： 材料科学与工程学院 专业班级： 复合材料 1102 学生姓名： 不知道 学 号： 311074561 指导教师： 张松利 汽车用新材料- 1 -汽车用新材料的研究发展状况摘要：当代汽车正朝着轻量化、高速、安全、舒适、低成本、低排放与节能的方向发展，节能、安全、环保是汽车现代化发展的三大主题。目前，汽车零部件的铝化程度与日俱增，可望在不久的将来，安全、舒适、美观耐用、轻量化、易装配和维修、易回收、节
2、能、无污染、综合性能优良的“全铝化”汽车将得到广泛普及。汽车工业集先进的材料和先进的制造技术于一体，新材料的开发和应用是我国汽车工业发展的关键环节。同时，汽车的发展也对新材料的开发和研究提出了更高的要求。关键词：轻量化；高速；安全；铝合金；钢铁材料；镁合金；钛合金；轮毂及车身材料Research on the development situation of new materials for automobileAbstract: a modern car is moving to the lightweight, high speed, safety, comfort, low cost,
3、 low emission and energy saving direction, energy saving, safety, and environmental protection are three themes of modern car development. At present, aluminum degree of automotive components grow with each passing day, is expected in the near future, safe, comfortable, beautiful and durable, lightw
4、eight, easy to assemble and repair, easy recycling, energy saving, no pollution, excellent comprehensive performance “aluminum“ cars will be spread widely. The automobile industry in advanced materials and advanced manufacturing technology in one, the development and application of new materials is
5、a key link in the development of Chinas automobile industry. At the same time, the development of automobile is the research and development of the new material put forward higher requirements.Keywords: lightweight; high speed; safety; aluminum alloy; iron and steel materials; magnesium alloy; titan
6、ium alloy; hub and body material1 前言现代汽车工业是国民经济中的重要支柱产业 1-3。随着社会的发展及人们对汽车用新材料- 2 -高质量生活的追求，汽车已成为现代化物流及人们提高生活质量的重要工具。在新的世纪，愈来愈多的国家都以发展经济提高生活质量为重要任务，从而促使汽车工业的飞速发展。1970 年全世界汽车年产量不到 3500 万辆，2011 年达7500 万辆，其中，轿车产品占 75%80%。未来随着中国、印度、巴西、非洲等发展中国家的高速发展，必然进一步推动汽车工业的发展。据国务院中心预测，20012014 年的 15 年间全球汽车市场总规模将增长 39
7、%，年销售量达 9000 万辆以上。汽车工业早已成为发达国家和地区国民经济的支柱产业，并带动着冶金、石化、机械、电子、城建、能源等许多相关行业的迅速发展。中国的汽车工业从 1953 年到现在已有 50 多年的历史，前 30 年以生产中型载重汽车为主，载货车占汽车总产量的 85%-90%。1980 年代末，我国加快轿车的发展，到 2000 年轿车的产量上升到 55 万辆，约占汽车年产总产量 30%。据中国汽车工业协会提供资料，2004 年我国生产汽车 507.05 万辆，客车 123.95万辆，轿车 231.63 万辆。汽车总产量居世界第四，已接近德国。2006 年产量达730 万辆。其中乘用车
8、达 71%，基本接近世界汽车发达国家水平。汽车总产量超过德国，位居世界第三，而销售量达 721 万辆，超过日本，位居世界第二。轿车约为 360 万辆，约占汽车总产量的 49%。2011 年我国汽车产、销量双双突破 1900 万辆，稳居世界第一，成为我国重要支柱产业之一。我国汽车工业经历了 50 年的建设和发展，逐步成为国民经济的支柱产业。20 世纪 80 年代以前，我国主要生产中型卡车。80 年代以来，我国先后从德国、法国、美国、日本等国家数十家公司引进汽车生产技术，其中一汽奥迪、上汽桑塔纳、北京切诺基、广州标志和神龙富康等车型轿车均为 80 年代初、中期国际水平;风神蓝鸟、广州雅阁、上汽别克
9、等车型轿车达到了 90 年代或当前的国际水平。汽车工业的发展与原材料工业有着极为密切的关系。据统计，汽车的生产成本中，原材料约占一半左右。图 1 是德国汽车生产成本分布图，材料成本为 53%，占一半以上。因此，合理、经济的材料选择，对汽车厂的效益至关重要。汽车用新材料- 3 -图 1 德国汽车生产成本分布图从法规和市场的角度来看，要求汽车向低能耗和清洁排放方向发展，而低能耗和清洁排放都与汽车轻量化有着直接关系。汽车轻量化要求汽车材料高强度、高性能、耐腐蚀、易加工、工艺成本低，这也是汽车材料的主要发展方向。自 1975 年以后，汽车重量不断降低。最近几年，由于轿车向多样化和高级化方向发展，采用了
10、多种先进装置，因此轿车重量范围扩大，在 130-190Kg/m2 范围内。新型装置的添加，对汽车材料减轻重量提出了更高的要求。我国有数百家汽车厂，汽车生产的特点是生产批量小、型号多，所需材料品种多达 4200 余种。2002 年以来，我国汽车产销量快速增长，已达到 300 万辆/年的生产和销售规模，汽车工业已经成为我国经济发展最快的行业之一。当代汽车正朝着轻量化、高速、安全、舒适、低成本、低排放与节能的方向发展，节能、安全、环保是汽车现代化发展的三大主题。为了减轻重量、提高速度、节约能源，减少汽车尾气对空气的污染和保护日益恶化的臭氧层，铝材很快进入了汽车工业领域。目前，汽车零部件的铝化程度与日
11、俱增，可望在不久的将来，安全、舒适、美观耐用、轻量化、易装配和维修、易回收、节能、无污染、综合性能优良的“全铝化” 汽车将得到广泛普及。汽车工业集先进的材料和先进的制造技术于一体，新材料的开发和应用是我国汽车工业发展的关键环节。同时，汽车的发展也对新材料的开发和研究提出了更高的要求。汽车工业经历了 100 余年的发展历史,已经从最初的简单代步工具演变成集当代科技精华于一身的高科技产物。越来越多的新材料及新工艺的出现,使得人汽车用新材料- 4 -们对汽车轻质化、低成本、智能化,高的经济性和可靠性的要求成为可能。因此,材料与技术的发展对汽车工业的进步有着不可磨灭的贡献。汽车材料是汽车品质的基础,而
12、汽车技术的发展在很大程度上依托于汽车材料的发展。要研制更经济、更能够适应各种环境的汽车,科技含量高的合成材料是必不可少的 4,5。2 国内外汽车用新材料发展状况2.1 国外汽车用新材料的发展现状与趋势当前世界汽车材料技术发展的主要特征如下:(1) 轻量化与环保是当今汽车材料发展的主要方向；(2) 尽管近阶段钢铁材料仍保持主导地位, 但各种材料在汽车上的应用比例正在发生变化。主要变化趋势是高强度钢和超高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料的用量将有较大的增长, 铸铁和中、低强度钢的比例将会逐步下降,但载重车的用材变化不如轿车明显；(3) 轻量化材料技术与汽车产品设计、制造工艺的结合将更为密切,
13、 汽车车身结构材料将趋向多材料设计方向；(4) 更重视汽车材料的回收技术；(5) 电动汽车、代用燃料汽车专用材料以及汽车功能材料的开发和应用工作不断加强。减轻汽车自身质量是降低汽车排放、提高燃油经济性的最有效措施之一。世界铝业协会的报告指出, 汽车的自身质量每减少 10%,燃油的消耗可降低 68%,根据最新资料,国外汽车自身质量同过去相比减轻了 2026%。预计在未来的 10年内, 轿车自身质量还将继续减轻 20%。铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料和高强度钢、超高强度钢等轻量化材料的开发与应用在汽车的轻量化中将发挥重大作用。可以看出,尽管钢铁材料在当前仍然占主导地位, 但其份额却在逐年减少,
14、 而铝合金、镁合金、塑料等轻量化材料的用量则呈持续上升的趋势。在最近投产的某些新车型中,钢铁材料的比例更低, 例如在奥迪 A2 中,钢材的比例仅为 34%,轻质材料则高达 52%。国外开发的全铝车身已经在 AUDI 汽车用新材料- 5 -A8、BMW Z8、FERRARI360 等很多车型上使用, 甚至全铝发动机、轮毂都已经开始实际应用 7。虽然联邦政府和欧共体有多种与材料有关的研究项目,但整体上主要还是体现在墓础研究方而。从汽车行业的应用性研究来讲,主要依靠企业的自身力量, 这与美国汽车行业的情况很不相同, 后者可从国家得到各种资助。不仅如此, 德国政府在支持、促进和推广新材料在汽车行业的应
15、用以及采用新材料的汽车的生产、销信等方而也没有任何鼓励的政策与措施。虽然从长远战略上说,汽车采用新材料具有多种重要意义,但就口前的实际而言,首要目的是减轻重量、提高效率、降低能耗、减少环境污染。从根木上来讲,汽车减轻屯量很有好处,既可增加使用面积,又可节省燃料消耗,减少环境污染。汽车能耗的 70%与汽车重量有关, 如中型轿车的自重每减少 100 公斤,每百公里的燃料消耗就可减少 0.4 公升。此外,自重减轻对加速和弹性等行驶效率也有积极影响,同时可使转动和振动部件的噪音明显降低。试验证明,假如负荷是单轴的或者在结构上可以沿纤维方向伸展的话,纤维强化的材料明显比金属优越 8-10。近年来,虽然日
16、本汽车工业由于各种原因而陷于持续的不景气状况之中,但各汽车厂商从长远利益出发,仍继续着各种汽车用新材料及其相关伎术的研究开发,并取得品些进展。总的来看,这一领域研究开发的重点主要集中在三个方面。一是大力开发各类“ 低公害车 ”所需材料；二是继续发展汽车以铝、塑等代钢技术；三是提高汽车用材料再生利用率。一、 “ 低公害车 ”所需材料的发展状况随着全球环保呼声日益高涨,电动汽车、甲醇汽车、天然气汽车等不以汽油为动力源的所谓“ 低公害车 ”展现出诱人的发展前景。但是 ,目前这类汽车离实用化都还相距甚远。其有待解决的主要问题之一就是所需的各种材料技术尚未过关。在被认为是最理想的“低公害车” 的电动汽车
17、的研究中 ,目前面临的主要课题仍然是车体的轻量化和蓄电池的高性能化, 而这都与材料技术密切相关。在东京电力公司和日产汽车公司分别开发的高性能电动汽车的概念车 IZA 和 FEV,为了减轻车休重量,外板均采用了碳纤维强化塑料,底盘均采用了各种招合金材料。然而,这两种概念车的开发者一致认为,对批量生产而言,采用昂贵的 CFRP 材料是不现实的。出路在于能多大程度地采用铝合金材料。比车体轻量化更为重要、汽车用新材料- 6 -也更为复杂的问题是蓄电池的高性能化。在 IZA 和 FEV 中采用的是镍镉电池,它是已能实用的各种蓄电池中能量密度高的。但因镉资源很少,故对大批量生产电动汽车并不合适。据日本通产
18、省估计,全球镉储藏量仅约 97 万吨,只能供制造1000 万辆电动汽车使用。二、铝、塑代钢技术发展状况从 80 年代起,主要为了减轻汽车重量以降低耗油量、节约能源、保护环境, 在汽车制造中以铝、塑代钢技术开始发展起来, 但至今仍未出现成热的批量生产车型。其重要原因是以铝、塑代钢并不仅仅意味着材料的替换, 还意味着汽车的设计、加工、装配各个环节都必须进行大幅度的更动, 因而风险很大。目前,除马自达公司外,日本各大汽车厂商都还只在少量零部件或特殊车种（如运动车） 试制中应用铝、塑代钢技术。三、汽车用材料再生利用发展状况 11为了节省资源、保护环境, 日本于 1992 年 10 月开始实施“关于促进
19、再生资源利用的法律” 。汽车是该法律适用对象之一 ,要求制造商在设计阶段就对再生利用作出评价,并从材料、结构、拆分等各方面进行积极研究。该法实施以来,日本有关汽车用材料再生利用的研究进一步受到重视,取得了一些新进展。丰田、日产、本田等公司均已开始通过各自的销售网来系统地回收在维修中换下的保险杠,经洗净、粉碎后,加工成货物周转箱（丰田） 、通风管迸（日产） 、换气口（本田）等等重新加以利用。为了进一步提高由高级聚丙烯材料制成的保险杠的再生利用率, 各汽车公司正在加紧研究能完全消除旧保险杠表面油漆的影响, 从而用旧材料制造新保险杠的有关技术, 升已取得阶段性成果。如日产公司的“有机盐系溶剂分解、剥
20、离法” 、富士重工业公司的 “微粉碎法 ”、丰田公司的“加压水分解法”等,在不远的将来,即可望获得实际应用。汽车车身、底盘(含悬挂系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的 65%以上。其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应,是汽车轻量化的重要途径。车身轻量化的研究是现代车身设计的一大主流。当前, 节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的总趋势,尤其是节能和环保更是关系人类可持续发汽车用新材料- 7 -展的重大问题。汽车油耗与车重关系密切, 汽车行驶过程中受到空气阻力、轮胎阻力、加速阻力和爬坡阻力等, 其中后面三项均与车
21、身本身的重量成正比, 这直接影响轿车的油耗,因此,降低燃油消耗、减少向大气排出 CO2 和有害气体及颗粒已成为汽车界主要的研究课题。减小汽车自身质量是汽车降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一。尤其是当前全球能源缺少的危机之下,轻量化技术对于未来轿车发展有着巨大的意义。实现轻质车身,最主要就是大量应用使车身轻量化的材料,同时进行车身轻量化的结构设计等。目前,车身轻量化的主要途径有 2 条: 效果比较明显的是用轻型材料(如镁、铝、塑料盒复合材料等)替代车身骨架及内、外壁板原有的钢材,目前已制造出部分产品；另一种有效的方法是通过优化车身结构实现轻量化,其代表性成果为 ULSAB(Ultra Lig
22、ht Steel Auto Body)项目112。现代汽车车身除满足强度和使用寿命的要求外,还应该满足基本性能、外观、安全、价格、环保、节能等方面的需要。在九十年代以前,以轿车为例,其整车质量中,钢铁占有 80%,铝占 3%,树脂占 4%。由于能源价格不断上升,作为轻量化材料的高强度钢板、表面处理钢板用量逐年上升, 有色金属材料的用量也在不断增加, 其中, 铝合金材料的应用明显增加, 非金属材料也逐步增加。本文主要就车身轻量化材料的发展做研究 12-13。2.2 国内汽车用材料发展状况分析我国汽车材料是伴随着汽车工业的发展而发展起来的。尤其是在七五至九五期间,我国通过合资的方式引进了国外先进的
23、汽车产品技术, 缩短了与发达国家之间的差距。在引进技术的带动下, 九五期间轿车新材料技术开发被列入国家科技攻关计划,同时在国家 863 高技术计划新材料领域的支持下,先后开发出了一批轿车国产化急需的金属材料和非金属材料,促进了国产汽车材料的技术进步。但是,同国外相比,我国汽车工业整体技术水平还比较落后,汽车材料领域的差距更大。主要表现为；企业开发能力不足,缺乏创新、竞争能力；技术与管理水平落后,生产规模小,劳动生产率低,产品质量差；产品结构不合理,技术含量低,低档产品过剩, 高端产品依靠进口；汽车行业采用的材料系列与品种繁杂、数量少, 使汽车专用材料的产量难以达到经济规模；汽车材料基础技术研究
24、薄弱,缺少材汽车用新材料- 8 -料评价技术与体系,材料技术标准混乱,基础数据贫乏。从总体上看,国内汽车材料领域的现状还不能满足我国汽车工业的发展需要。国内汽车工业的迅速发展以及加入 WTO,使我国汽车材料领域面临着前所未有的机遇与挑战。不仅汽车材料的需求量持续增长(预计从现在起到 2020 年,年均增长率可达 20%以上),而且对材料的品质提出了更高的要求,这为我国汽车材料领域的发展创造了十分有利的条件 14。3 汽车车身用新材料概述3.1 新型结构材料 15-163.1.1 高强度钢板从前的高强度钢板，拉延强度虽高于低碳钢板，但延伸率只有后者的 50，故只适用于形状简单、延伸深度不大的零件
25、。现在的高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达 420N/mm2，是普通低碳钢板的 23 倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材料。到 2000 年，其用量已上升到 50%左右。中国奇瑞汽车公司与宝钢合作，2001 年在试制样车上使用的高强度钢用量为 262kg，占车身钢板用量的46%，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。美国轿车材料构成要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢板和高强度 1F 冷轧钢等，车身设计师可根据板制零件受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。含磷高强度冷轧钢板：含磷高强度冷轧钢板主要用于轿车外板、车门、
26、顶盖和行李箱盖升板，也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。主要特点为：具有较高强度，比普通冷轧钢板高 1525；良好的强度和塑性平衡，即随着强度的增汽车用新材料- 9 -加，伸长率和应变硬化指数下降甚微；具有良好的耐腐蚀性，比普通冷轧钢板提高 20；具有良好的点焊性能；烘烤硬化冷轧钢板：经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理，屈服强度得以提高。这种简称为 BH 钢板的烘烤硬化钢板既薄又有足够的强度，是车身外板轻量化设计首选材料之一；冷轧双向钢板：具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点，经烤漆后强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等；超低碳高强度冷轧钢板：在超低碳钢（C0.005）中加入适量钛或铌，以保证钢板的深冲性能，再添加适量的磷以提高钢板的强度。实现了深冲性与高强度的结合，特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。图 2 汽车材料应用部件轻量化迭层钢板：迭层钢板是在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料，表层钢板厚度为 0.20.3mm，塑料层的厚度占总厚度的 2565。与具有同样刚度的单层钢板相比，质量只有 57。隔热防振性能良好，主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底板等部件如图 2。3.1.2 铝合金与汽车钢板相比，铝合金具有密度小（2.7g/cm3） 、比强度高、耐锈蚀、热
