问题41 汽车用轻质材料主要有哪些？

轻量化材料的开发和应用是当前汽车轻量化技术另一主要研究方向。实施汽车轻量化的主要材料有高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维、复合材料等。

汽车用钢按照其刚度可分为软钢、高强度钢、超高强度钢。高强度钢是在普通碳素钢的基础上加入少量合金元素制成的。这种钢的生产成本与普通碳素钢相近，但由于合金元素的强化作用，使其抗拉强度比普通钢高得多。

铝是钢在车身应用方面的主要竞争者。铝合金与钢相比最大的优点是其挤压成形性能较好，采用铝合金车身板件替代钢车身板件时重量将减轻约50%。目前，许多汽车制造厂通过开发铝密集概念车证明了铝合金在汽车轻量化方面的应用潜力。

镁是比铝更轻的金属材料，密度只有铝的2/3，铁的2/9。镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金。汽车用的镁合金材料以铸造镁合金为主，占汽车用镁量的90%以上。但与铝合金相比，镁合金的耐腐蚀性差，研究和发展还很不充分，应用也很有限。尽管镁合金在当前汽车用材中所占的比例不到1%，但是在轻量化的驱动下，镁合金的应用受到世界各大汽车生产企业的重视。以美国为例，在一些车型上镁合金用量为5.8～26.3kg/辆。欧洲的镁合金用量仅次于北美，部分车型上的镁合金用量可达9.3～20.3kg/辆。

钛合金的主要优点是密度低、高强度-密度比以及优异的耐蚀性，另外即使在温度升高至500℃时仍能保持很高的强度。与汽车用钢、铝合金以及镁合金相比，钛合金的缺点是成本较高。钛合金在汽车轻量化的应用上很有潜力。

碳纤维是一种纤维状复合材料，含碳量超过90%，具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。它的强度比钢大，密度比钛小，具有极好的电学、热学和力学性能。碳纤维增强复合材料有足够的强度和刚度，是制造汽车车身和底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40%～60%。图2-43所示为兰博基尼发布的车型Ga11 ard LP570-4 Su-perleggerz，该车车身和内饰大量采用碳纤维材料，相比LP560-4整车轻了70kg，车身净重仅为1340kg，是兰博基尼在售车型中最轻的一款。

复合材料是指将两种或两种以上化学性质和物理性质不同的物质结合起来而得到的一种多相固体材料。世界各主要汽车生产国家最初只将复合材料用于发动机舱盖、顶盖等大型覆盖件，近年来在车身上采用复合材料的越来越多。在车身上使用最多的复合材料是玻璃纤维增强材料（GFRP，俗称玻璃钢）和碳纤维增强材料（CFRP）。图2-44所示为宝马公司2011年发布的全新开发的纯电动乘用车i3。它采用GFRP车身结构，使得整车质量仅为1250kg，比传统纯电动汽车减轻了250～350kg，同时实现了最高级别的碰撞安全保护。

图2-43 兰博基尼碳纤维车身跑车

图2-44 宝马纯电动乘用车i3碳纤维车身结构