轻量化驱使下 铝材重返舞台中央

　　夏天通常被认为是汽车销售的淡季，但2016年的夏天，汽车轻量化研究与推广着实火了一把。除了第20届德累斯顿国际轻量化论坛在德国举办，家门口的上海国际新能源及智能化技术展览会也专门设置了“汽车轻量化发展趋势”主题环节。
　　提升环保性能与燃油效率是促使汽车行业思考轻量化的最主要原因。在我国，随着2020年当年产乘用车平均燃料消耗降至5.0升/百公里的目标越来越近，很多汽车制造商都在寻找提升燃油效率的方法。研究数据显示，若整车重量降低10%，燃油效率可提高6%到8%；汽车整车质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3升到0.6升。为汽车“减负”势在必行。
　　曾经我们对减轻车身重量避之不及，但如今，轻量化已经成为与智能化、电动化齐头并进的汽车主要研发方向之一。全球各大汽车制造商、材料供应商甚至科研机构都在致力推进轻量化材料的研发进程。
　　今年二月曾有媒体报道，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员成功研制出一种新型的超强轻质结构性金属，由镁、纳米陶瓷粒子、碳化硅纳米粒子合成，具有优良的承重能力，对未来汽车轻量化发展意义重大。
　　相对仍处于科研阶段的新材料，轻合金、工程塑料、纤维复合材料等早已成为汽车轻量化材料实际应用的“先锋”。
　　其中“以塑代钢”无疑是汽车行业材料变革的发展趋势之一。工程塑料具有突出的成型性、轻量化以及面对强烈撞击时能够缓冲吸能，已成为一个衡量一个国家汽车工业发展水平的重要指标。据统计，发达国家汽车的单车塑料平均使用量为120千克，占汽车总重量的12%-20%，而这个比例还将持续升高，预计到2020年，发达国家汽车平均用塑料量将达到500千克/辆以上。然而塑料刚度低、易老化，未来在车身大量运用仍面临不少安全隐患。
　　除工程塑料外，复合材料也是新兴战略产业中的重要材料。数据显示，世界平均每辆乘用车中复合材料约占总重量的6%。说到这里就不得不提起近年来在汽车行业炙手可热的“高富帅”——碳纤维。
　　作为材料界中“外柔内刚”的英雄代表，碳纤维力学性能优异，密度不到钢的1/4，抗拉强度却是钢的7-9倍，是唯一一种在2000℃以上的高温惰性环境中强度不下降的物质。2013年宝马在i3和i8量产车上的大规模运用更是将碳纤维造车风潮推向顶峰。
　　然而我们不能忽视的是，在种种优异特性的背后碳纤维也是一种脆性材料，一旦受力过大就会直接断裂，损坏后基本无法修复，而高昂的制造成本和回收费用更使得当前碳纤维的应用主要还局限于高端跑车、越野车和运动赛车上。
　　在诸多轻量化解决方案中，2011年美国国家科学院在燃油经济性技术评估指出，以铝为基材的轻量化是最经济有效的手段之一。
　　▲当前碳纤维的应用主要还局限于高端跑车、越野车和运动赛车上。
　　在同等强度等级下铝的重量比钢轻三分之一，这个特性决定了铝能够作为理想的轻量化材料被应用于白车身系统中。统计显示，汽车每使用1公斤铝，将平均减少1公斤自重，并在汽车的生命周期内减少17公斤的二氧化碳排放量。尤其对于现在市场上的“当红炸子鸡”新能源车而言，应用铝材能够提升汽车的有效行驶里程，例如，研究[1]表明车身减重20%将使电动汽车在同等充电量的情况下多行驶20%的里程，就能一定程度上缓解消费者的里程焦虑。
　　将铝材应用与智能化汽车设计相结合，不仅能减轻汽车重量、增强车身强度，同时还有助于提升燃油经济性和驾驶性能，并在不影响安全性能的情况下降低汽车尾气排放量。
　　这些益处在福特F-150中就得到了很好体现。全铝车身不但帮F-150瘦身700磅（约318公斤），更使其具备强大的牵引能力、更短的加速时间和刹车距离。今年上半年面市的凯迪拉克CT6将诺贝丽斯铝材运用于22个车体部件上，车身用铝覆盖率高达62%，不但使之比尺寸相当的钢车身减重100公斤，更有效地提高了燃油效率。
　　▲全铝车身不但帮福特F-150瘦身700磅（约318公斤），更使其具备强大的牵引能力、更短的加速时间和刹车距离。
　　诚然，铝材与其他金属间特殊的焊接技术对车企的制造工艺和硬件设施都有较高要求，整车厂商提高车辆用铝比重必将增加消费者的购车成本。铝材就要因此被打入“冷宫”了吗？
　　答案是否定的。欧洲铝业协会（EAA）研究表明，对于高尔夫之类大小的电动车型，在相同续航里程下使用全铝车身成本将增加约1015欧元，但同时也可以节省电池成本约1650欧元，总成本将减少635欧元（约人民币4700元）。
　　对于传统燃油车，按照当前油价粗略计算可得，不到两年即可从节省的燃油费用里收回铝制车身所增加的成本。虽然购车的一次性成本有所增加，但用车与环境成本均有下降，这对于长期驾车一族来说显然是笔合算的买卖。
　　如果说燃油效率展示的是车企造车的社会责任，那么车辆安全就是车企生存之本。众所周知，铝材具有出众的外观和出众的可塑性，因此一直受到汽车设计师青睐，被广泛运用于轮毂、车门、发动机罩、车身面板等零部件上。
　　然而近年来随着多款全铝车身车型的量产，我们不难发现汽车铝材的运用正逐渐由内装件向外装件和车身结构件扩展。诺贝丽斯携手福特打造的F-150全铝车身就是有力证明。美国国家公路交通安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration）在新近公布的报告中将F-150评为五星级安全车型，这也是所有碰撞测试车型中唯一一款取得NHTSA最高安全级别的全尺寸轻型载重汽车。
　　更为轻量化的铝又是如何进一步提升汽车安全性的？
　　首先，运用铝材能够大幅减轻车重，随之有效减少刹车距离，使得汽车在转向和过弯的过程中更加灵活，降低碰撞风险。第二，铝材的高强度重量比使汽车零部件在保持轻量的同时还能承载较高负荷，并在受到冲击时分散吸收大量碰撞产生的能量，从而保障乘客人身安全。此外，铝的耐腐蚀性还能够在车辆生命周期中最大限度减轻车身结构可能遭到的破坏，长期而稳定地保持车身吸收冲撞能量的能力。
　　凭借重量轻、耐腐蚀和易成型等特性，铝材常被称为“miracle metal”，但更难得的是它还具有高达80%的回收率，且再生铝的能耗仅相当于原铝生产能耗的5%。
　　据Frost&Sullivan评估分析，到2017年，轻量化汽车材料市场有望达到953.4亿美元。高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料等汽车轻量化材料都纷纷迎来蓬勃发展的春天。
　　其中，预计2025年之前，全球大部分汽车制造商所研发生产的车型中都将含有至少200公斤铝材。而作为全球最大汽车生产国的中国，2014年平均单车用铝量却仅有110公斤。我们有理由相信，未来十年内中国汽车的各个主要部件用铝渗透率都将明显提升。
　　当我们满怀期待地展望由铝材带来的无限可能时，很多人并不了解，铝材早在一百多年前汽车工业诞生初期就已经活跃在历史舞台。1899年的柏林国际车展上已有铝制车身的车型参展。如今，随着研发与制造工艺日趋成熟，汽车行业已经再度踏上“铝”途。