汽车用新材料课程论文.doc

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汽车用新材料

汽车用新材料课程论文

汽车用新材料的研究发展状况

（Researchonthedevelopmentsituationofnewmaterialsforautomobile）

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

Researchonthedevelopmentsituationofnewmaterialsforautomobile

Abstract:

amoderncarismovingtothelightweight,highspeed,safety,comfort,lowcost,lowemissionandenergysavingdirection,energysaving,safety,andenvironmentalprotectionarethreethemesofmoderncardevelopment.Atpresent,aluminumdegreeofautomotivecomponentsgrowwitheachpassingday,isexpectedinthenearfuture,safe,comfortable,beautifulanddurable,lightweight,easytoassembleandrepair,easyrecycling,energysaving,nopollution,excellentcomprehensiveperformance"aluminum"carswillbespreadwidely.Theautomobileindustryinadvancedmaterialsandadvancedmanufacturingtechnologyinone,thedevelopmentandapplicationofnewmaterialsisakeylinkinthedevelopmentofChina'sautomobileindustry.Atthesametime,thedevelopmentofautomobileistheresearchanddevelopmentofthenewmaterialputforwardhigherrequirements.

Keywords:

lightweight;highspeed;safety;aluminumalloy;ironandsteelmaterials;magnesiumalloy;titaniumalloy;hubandbodymaterial

1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，2001∼2014年的15年间全球汽车市场总规模将增长39%，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。

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

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,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6~8%,根据最新资料,国外汽车自身质量同过去相比减轻了20~26%。

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,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AUDIA8、BMWZ8、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、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（UltraLightSteelAutoBody）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薄弱,缺少材料评价技术与体系,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[15-16]

3.1.1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。

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2~3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、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15％~25％；良好的强度和塑性平衡，即随着强度的增加，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（C≤0.005％）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0.2~0.3mm，塑料层的厚度占总厚度的25％~65％。

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、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。

德国大众公司的新型奥迪A2型轿车，由于采用了全铝车身骨架和外板结构，使其总质量减少了135kg，比传统钢材料车身减轻了43％，使平均油耗降至每百公里3升的水平。

全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。

这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%，还比同类车型的钢制车身车重减少50%。

由于所有的铝合金都可以回收再生利用，深受环保人士的欢迎。

根据车身结构设计的需要，采用激光束压合成型工艺，将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合成型，再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有良好的耐腐蚀性。

铝合金已成为仅次于钢材的汽车用金属材料，能够为汽车提供各种铝合金铸件、冲压结构件和拉制的铝型材。

铝合金主要用于制造发动机缸体、活塞、进气支管、气缸盖、变速器壳体、轿车的骨架、车身、座椅支架、车轮等部件。

3.1.3镁合金和钛合金

镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35％，铝材密度的66％。

此外它的比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。

镁的储藏量十分丰富，镁可从石棉、白云石、滑石中提取，特别是海水的盐分中含3.7%的镁。

近年来镁合金在世界范围内的增长率高达20％。

铸造镁合金的车门由成型铝材制成的门框和耐碰撞的镁合金骨架、内板组成。

另一种镁合金制成的车门，它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成，每扇门的净质量比传统的钢制车门轻10kg，且刚度极高。

随着压铸技术的进步，已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件，如前、后挡板、仪表盘、方向盘等。

钛的比重为4.6g/cm3，仅是铁的1/2，但强度和硬度超过了钢，且不易生锈。

用钛合金铸造的汽车发动机部件更轻、更坚固和更耐腐蚀，钛合金车身可以承受更大的作用力。

3.1.4泡沫合金板

泡沫合金板由粉末合金制成，其特点是密度小，仅为0.4~0.7g／cm3，弹性好，当受力压缩变形后，可凭自身的弹性恢复原料形状。

泡沫合金板种类繁多，除了泡沫铝合金板外，还有泡沫锌合金、泡沫锡合金、泡沫钢等，可根据不同的需要进行选择。

由于泡沫合金板的特殊性能，特别是出众的低密度、良好的隔热吸振性能，深受汽车制造商的青睐。

目前，用泡沫铝合金制成的零部件有发动机罩、行李箱盖等。

3.1.5.蜂窝夹芯复合板

蜂窝夹芯复合板是两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。

根据夹芯材料的不同，可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝、铝蜂窝等；面板可以采用玻璃钢、塑料、铝板和钢板等材料。

由于蜂窝夹芯复合板具有轻质、比强度和比刚度高、抗振、隔热、隔音和阻燃等特点，故在汽车车身上获得较多应用，如车身外板、车门、车架、保险杠、座椅框架等。

英国发明了一种以聚丙烯作芯，钢板为面板的薄夹层板用以替代钢制车身外板，使零件质量减轻了50%~60%，且易于冲压成型。

3.1.6.工程塑料

与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。

二十世纪七十年代起，以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。

福特公司开发的LTD试验车，塑料化后的车身取得了轻量化方面的明显成果（见表2）。

福特LTD试验车的轻量化效果

中国工程塑料工业普遍存在工艺落后、设备陈旧、规模小、品种少、质量不稳定的状况，而且价格高，缺乏市场竞争力。

工程塑料在汽车上的应用仅相当于国外上世纪八十年代的水平。

如上海桑塔纳轿车塑料用量仅为2.86kg/辆，红旗CA7228型轿车为2.4kg/辆，而日本轿车平均为14kg/辆，宝马则更高，为35.64kg/辆。

但这种局面将很快被打破，由上海普利特复合材料有限公司投资新建、国内最大的汽车用高性能ABS工程塑料生产基地日前在上海建成投产。

此项目引进了世界先进的工程塑料生成线和试验检测仪器等设备，形成了年产15000吨高性能ABS工程塑料的能力。

工程塑料用于汽车可实现轻量化和节能，且可回收和循环利用。

目前六大类的塑料：

PP、PUR、PVC、ABS、PA和PE在汽车上得到广泛的应用，通常用于制造车身覆盖件、车门门褴、车身内外装饰件和水箱面罩、保险杠和车轮护罩等。

汽车的构造材料图3可反映人类所应用材料的技术水平。

目前，6类主要材料如钢﹑铁﹑塑料﹑铝﹑橡胶﹑玻璃共占轿