科技发展日新月异，产业结构不断升级，人们日益增长的物质文化需求使得汽车成为人们出行必要的交通工具。为了适应关于节能减排的相关政策法规，以及社会对环保标准的不断提升，汽车制造业面临着许多新的机遇和挑战，同时对车用材料也提出了更高的要求。

一、车用材料发展现状及趋势

轻量、节能以及环保已经成为车用材料发展的主流趋势。在现代科技的驱动下，与汽车有关的方方面面都可以通过轻量材料的替换实现减重，并能保持其原有优势。有相关研究显示，整体油耗的约75%是与整车质量有关，汽车质量每下降10%、油耗下降8%、排放下降4%。可见，通过降低整车质量即可有效地降低汽车油耗、减少排放、实现节能和环保。

材料是现代科学技术和高新产业的物质基础，车用材料产业是汽车工业存续和发展的有力保障。常规的家庭轿车基本材料组成如下：钢为54%、铸铁为10%、塑料为8%铝合金为8%、镁合金为1%、橡胶玻璃为7%、其他为12%。从家庭轿车基本材料组成可见，占据主导地位的仍然是钢铁类型的材料，作为轿车的基本组成材料，其为轿车材料组成的核心，作用无法轻易取代。排在后面的依次是铝合金、塑料类材料、镁合金。在车用材料的大家族中，上述4类车用材料也构成了车用轻量化材料的基本核心。

钢铁类的材料既能满足汽车轻量化的需求，又能够赋予汽车足够的安全性能，是构成汽车材料组成的基础性材料；铝合金的出现满足了汽车特殊性能提高的需求；塑料类材料是汽车内饰以及外部部分构成的重要组成；镁合金作为相对年轻化的车用材料对汽车性能的提升也有很大的作用。对车用材料的合理规划和使用，既能够保障汽车的安全性能，又能够提升汽车品质，满足轻量、节能和环保的需求。特别是近年来，新能源汽车的市场占有率不断提高，对车用材料领域的发展也提出了更高的要求。众所周知，新能源汽车的动力电池系统负重较重，所以新能源汽车更应该实现轻量化的要求，减少自重、增加续航里程。新能源汽车的出现，加速了车用材料产业的迅猛发展，加快了车用材料成型工艺的研发进程，从整体上推动了车用材料产业的发展。

二、金属类车用材料的新发展

1.高强度钢

钢材料与铝合金镁合金等轻质材料相比，最显著的缺点就是钢密度较大，但是钢材料有着其他金属材料不可比拟的优点。首先是安全性高，有研究表明，车身中高强钢用量越多，越能够保护乘员的安全，在试验车型的正面碰撞实验中，采取了高强度钢后，可有效降低甚至免除驾驶室的损伤；其次是经济性高，汽车用钢材料的原材料成本要远低于铝镁合金以及碳纤维材料，而且其加工成本相比镁铝合金等材料更是经济；第三是易维修，与其他材料相比，钢的塑性和韧性较好，在汽车发生碰撞、擦划伤等损伤后，多可通过钣金工艺进行修复，极大地降低了维修成本。由于普通家用汽车整体材料用量上，钢材料占比超过一半，作为汽车车身的主要材料构成，高强度钢的合理利用显得尤为重要。对钢材料的选用需要基于以下2点：一是保证车身的强度，即：耐冲击和安全性；二是在第1点的前提下进量减轻钢材料的质量，节约油耗。

高强度钢作为现在主流的车用钢材料，其强度比普通钢板更高，同时，相比价格昂贵的镁铝合金，其制备成本偏低，深受生产厂商的喜爱。目前，高强度钢除了在车身内外板及特殊结构件上有应用，还在汽车底盘上进行使用，其强度满足了底盘的碰撞需求。按照屈服强度进行分类，高强度钢可以分为高强度、超高强度钢以及特高强度钢板3类；按照成分及生产工艺进行分类，高强度钢可以分为双相钢、相变诱导塑性钢、复相钢和马氏体钢。

汽车中使用的高强度钢材料，能够使得车体整车更加坚固。这种高强度钢材料成本较高，相对于常规的金属、合金材料，高强度钢材料的制备过程需要对大量的铁进行反复提纯，并且对纯度的苛刻要求导致提纯工艺复杂，技术难度高，所以高强度钢材料造价较高，主要应用于大品牌SUV汽车中。相比国内，欧洲的汽车市场中高强度钢材料的应用更为普遍。如双相钢已经成熟地应用在A/B/C柱加强件、车顶横纵梁、窗框、前后部顶梁、座椅导轨/骨架、保险杠加强件、车门防撞梁等车体位置中，同时锰（Mn）-硼（B）系等热成形钢也已经广泛地应用于家用汽车。日本高强度钢的冷成形技术比较成熟，其生产的一般加工用钢、高伸展凸缘成形性用钢、低屈强比双相钢、马氏体钢等高强度钢在世界上处于领先水平。汽车工业强国美国拥有众多世界知名的钢铁和汽车企业，美国科学家于2007年首先开发出了第3代汽车用钢，这种钢经过粉末冶金与热轧冷轧技术，能够得到3个强度级别的高强高塑汽车钢。我国在第3代汽车钢的研制上，开发出了中锰钢的冷热卷技术，这在世界范围内属于领先的技术，同时也实现了镀锌板的批量生产。利用第3代汽车钢中锰钢的温成形技术，能够降低钢的生产成本，既经济又节约，可以应用于汽车的防撞梁等结构中。宝钢集团有限公司生产的高强度钢材料已经在一汽-大众汽车有限公司、日产汽车公司的家用汽车中进行使用。

2.铝合金

铝合金具有密度低，比强度、比刚度高等一系列优点，是汽车轻量化的理想材料。研究显示[3]，21世纪以来，铝合金材料在汽车材料上取得了卓有成效的发展。但与钢材料相比，汽车产业用铝合金材料的成形工艺尚不成熟，生产成本较高，目前只有在少数国外运动和豪华车型上得到应用。日本本田技研工业股份有限公司和德国大众汽车公司都曾经小批量生产过全铝框架车身结构的豪华汽车[4-5]。相比高强度钢材料，铝合金减重率更加明显，典型的铝合金零件一次减重效果可达30%～40%，二次减重，即车身质量减轻后，对制动系统与悬架等零部件进一步进行减重，可达到50%，综合比较，相比传统钢铁材料，铝合金可进一步减重40%以上。并且铝合金的比强度、成型性、导热性、耐腐蚀性以及耐磨性都更佳，铝合金的密度小至仅为钢材料的1/3，具有良好的减振性、可焊性以及易回收性，性价比较高。经过多年的发展，应用于汽车车身的铝合金制备及成型技术在已趋于成熟，生产成本可控性强，铝合金材料成为了车身轻量化的优选材料。

在汽车材料上，铝合金材料主要包括铝合金铸件、铝合金锻件、铝合金挤压件以及铝合金板材。铝合金铸件进一步包括砂型铸造、消失模铸造、半固态铸造、挤压铸造以及永久模铸造等。为了更大规模地在汽车车身中进行应用，铝合金材料的发展需要进一步提高材料强度，降低生产、制备以及维修成本。

常用的铝合金铸件为A356，常用的铝合金锻件为6061，其均具有很好的屈服强度、抗拉强度和延伸率；常见的半固态铸造方式制备得到的车用铝合金材料包括A356、2618、 7075、ZL201、6061、6063、ZL116等；铝合金挤压件工艺简单，合金的截面形状具有很强的设计性，通过科学合理的截面设计，可以得到具有很高的冲击、吸能特性的铝合金材料；变形铝合金板材主要应用于发动机罩、前翼子板、顶盖、车门、行李箱盖、动力电池壳体、车厢底板结构件等。可见，现有技术下，铝合金材料种类多、应用广，具有较好的车用材料前景。值得一提的是日本的车用铝合金材料技术，在高端车的车身、车轮、底盘、悬架系统中的控制臂等结构中均有应用。早在2009年，日产汽车公司就已经推出了“聆风”纯电动汽车，并在车身中大量使用了铝合金材料，相比高强度钢材料车身，减重可达40%。我国的铝合金材料的研发工艺也取得了阶段性成果，利用铝合金汽车板轧制技术制备的车用零件已经成功试生产。

3.镁合金

相比传统合金材料，镁是质量相对较轻的金属，其比重为1.74g/cm3，仅为钢的1/4，并且镁合金减震性好、铸造流动性好，在同等质量下，镁合金的强度、比强度和比刚度都较高，因此被越来越多的应用在汽车产业中。

在汽车轻量化发展过程中，镁合金表现出了很好的特性。镁的散热性能也较为优异，因此一直被业界看好，被看作未来发展潜力极好的车用金属材料。按照制备工艺的不同，镁合金大体分为变形镁合金和铸造镁合金，其中铸造镁合金相比变形镁合金其制备方法简单，制备成本低廉，在车用材料领用应用更为广泛。

目前镁合金材料领用需要解决的难题为如何提高镁合金的韧性、耐高温性以及耐腐蚀性，镁合金在美国和欧洲汽车材料领用应用较广。在欧洲，已经投入使用以及正在产品研发阶段的镁合金车用产品已60余种，单车镁合金用量为9.3～20.3kg；在美国，已经投入使用以及正在产品研发阶段的镁合金车用产品已100余种，单车镁合金用量为5.8～26.3kg。现今，车用材料的发展方向主要表现为轻量化、燃烧性能的改善、节能减排以及降低成本等。这就决定了镁合金在车用材料领域将具有极其广泛的市场，虽然在国际上，镁合金的研发仍旧处于广泛应用前的起步阶段，但是关于镁合金制备及加工的技术报道愈来愈多，科研人员的目光正逐渐转移到这个新兴的领域。

由于镁合金的合成技术较为复杂，开发成本较高，我国车用材料中镁合金的应用较少，单车用量不足1.5kg，其中应用技术最成熟的构件为压铸镁合金转向盘骨架。少数车型应用镁合金制作了座椅骨架、仪表板骨架等构件。与国际先进的研发技术相比，我国在镁合金的研发领域尚处于起步阶段，与国际先进技术差距较大，镁合金材料在汽车产业中的应用更显不足。因此，我国应强化对镁合金的开发，加大该领域的科研经费投入，尽早将镁合金在汽车领域中产业化，从而推动汽车行业的发展，为进入国际市场打下坚实的基础。

4.泡沫铝

泡沫铝作为一种新型轻质材料，具有较高的孔隙率，该材料既具有铝的金属性能，又由于其泡沫状的孔隙结构实现了金属材料的性质优化，其机械、物理、声学和热学特性表现都十分出色。与具有孔隙的粉末冶金材料相比，泡沫铝材料孔径较大，兼具轻质、物理化学性质优异、污染小等优点，适用范围广。近年来，泡沫铝材料在汽车产业中应用很广，其轻量、环保、节能的优点，迎合了汽车产业发展的需求，且由于其隔声和吸声性能，可减缓汽车振动与噪声危害，在交通运输业迅速发展的今天，实现了声学上的绿色环保，并在汽车结构中可以大范围地进行应用，泡沫铝材料促进了在汽车产业的发展，汽车产业也使泡沫铝材料迎来了无限商机。

三、非金属类车用材料的新发展

1.碳纤维材料

20世纪60年代开始，碳纤维材料开始迅速发展。碳纤维，又称“黑色黄金”，是通过有机纤维或低分子烃气体进行高热反应得到，碳纤维的生产过程通过对原丝进行预氧化、高温碳化、石墨化、表面处理等诸多步骤，得到的材料为纤维状材料，是一种高科技新式碳材料，碳含量在90%以上。相比传统材料，碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀、耐化学辐射等优点，在2000℃以上的高温惰性环境中,仍能够保持原有强度，并且其还具有纤维的柔曲、可编2大优点。作为车用材料，碳纤维材料的最大优势就是轻量，这可以大程度的改善车体质量，提高整车舒适感。所以，国外很多国家相继出台了碳纤维的研发计划，投入了许多的人力和物力，以促进碳纤维材料尽早在在汽车产业大规模应用。现今，在车用材料领域，碳纤维及其复合材料正逐步取代常规金属材料，得以加大应用，提高了汽车的整体性能。

在汽车产业中，碳纤维材料主要在车体、底盘、传动轴、发动机壳体、刹车片等结构中进行应用。由于碳纤维的生产成本问题，为了促进其在中档车中的应用，近期碳纤维及其复合材料的研究重点为提高生产效率、降低生产成本，优化成型工艺，降低添加剂成本，碳纤维再生技术等。由于碳纤维原料的生产成本及车用零部件制造成本比较高，碳纤维增强复合材料在车用材料领域的应用还有一定的局限性，F1赛车、高级乘用车上的应用较多。宝马公司生产的碳纤维量产电动汽车，其整车车身由全碳纤维制造，车身总重只有112.2kg，号称有史以来宝马公司技术最先进车型的宝马i系将再引领汽车发展的潮流，车身的4门2盖均由、工程塑料、内加强板、玻璃纤维和碳纤维增强材料复合而成。除了宝马公司以外，其他各大汽车厂商将中等规模量产碳纤维材料车型。通用某些系列汽车车身，福特的GT40车身、保时捷911 GT3承载式车身等均采用了碳纤维复合材料。

另外，以树脂、陶瓷、金属等为基体，碳纤维材料为增强体，经过特殊复合成型工艺制得的碳纤维复合材料，表现出了优异的性能，既可作为结构材料，用于承载车体负荷，又可作为功能材料，实现车体的性能需求，碳纤维车身能承受较大的拉应力，在发生交通意外时，通过碳纤维复合材料制备的封闭驾驶空间，即使在车身受到高速冲撞，甚至车体解体时，仍能够保证驾驶者的安全。车身结构件中应用碳纤维材料，减重效果相比高强度钢材料提高了约50%，相比铝合金材料提高了约30%。全球的汽车企业针对碳纤维汽车市场展开了激战，国际碳纤维巨头也纷纷扩能7。欧州的车用碳纤维复合材料底板所用的碳纤维复合材料，采用了树脂传递模塑成型工艺，提高了零件的可设计性，底板零部件的数量大幅减少，车身质量相比钢材料也大幅减轻，并且车身性能维持钢身不变。兰博基尼旗舰款超级跑车的驾乘舱完全采用碳纤维复合材料制造而成，车体质量超轻，实现了车身的灵活性，提高了行进速度。

2.塑料

塑料，指以高分子量合成树脂为原料，加入适当添加剂和助剂后，经成型工艺合成的塑性材料或通过交联固化形成的刚性材料。20世纪以来，塑料作为新兴产物广泛应用于社会生活中的方方面面。塑料材质较轻，并且其化学性质稳定，耐腐蚀性好，此外，塑料具有透明、耐热、固性好、易着色、韧性好等优点，具有较好的应用前景，是最重要的汽车轻质材料之一。

通过在车体上提高塑料材料的用量，可有效减少车身质量，从而节能减排。目前，车用塑料材料的量约占塑料材料总消耗量的８%；中级轿车中，塑料材料的用量约占整车质量的12%-15%。车用塑料材料，主要为聚氨酯PU、聚丙烯PP、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS、聚苯乙烯PS、苯乙烯－丙烯腈共聚物SAN、苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物SMA、聚氯乙烯PVC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚乙烯PE等。目前，塑料材料在汽车车体中的应用主要是内饰区域，汽车主要结构件、外装件、车门、座椅、前端模块等部件是未来汽车塑料化发展的方向。在汽车的外饰中，最常见的应用是汽车保险杠格栅和翼子板。汽车的保险杠应用了塑料易于着色、 耐热性好和强度高的特性，生产成本相对低廉。格栅主要采用ABS材料，但是由于ABS材料耐高温性能差，在制造的过程中若添加黑色助剂，可提高其耐高温性能。翼子板的主要功能为阻挡泥水飞溅到车身底部，所以翼子板需要有较强的耐腐蚀性和抗摩擦性。

目前，针对车用塑料材料的需求特点，在其研发过程中，对传统PP材料进行改性已经成为了研究的重点。

PP改性材料，是指对常规的PP材料进行化学改性，其一是添加增强组分，如玻璃纤维、滑石粉、云母及碳酸钙，通过这种改性可以提高材料的刚性和低温抗冲击性等；其二是添加增韧组分，如烯烃类热塑性弹性体POE和三元乙丙橡胶EPDM。通过上述改性，在提高PP材料特性的同时，还能够降低生产成本。增强组分的选取以及添加量决定了PP材料的强度大小。在PP材料中加入20%的玻璃纤维后所制备得到的复合材料，其刚性和耐热性都得到了大幅提高，并且其韧性几乎没有变化，热变形温度也得到了提高。玻璃纤维增强的PP材料在汽车结构件和耐热部件中应用较广。通过滑石粉和碳酸钙作为增强组分对PP进行改性，其强度和耐热性要明显低于玻璃纤维改性的PP材料。但滑石粉和碳酸钙具有经济性高的优点，所以其在PP改性领域应用前景也较好。现今，改性PP材料已广泛地应用于汽车的内饰和外饰零部件中，如保险杠、立柱和仪表盘等。但是值得注意的是，通过增强组分对PP材料进行改性后，会影响材料的韧性，所以需要在加入增组分的同时加入增韧组分，如弹性体，对PP材料的耐低温冲击性能同时进行改善。

另外，新兴的PP材料层出不穷，比较成熟的如高结晶PP材料，其强度较高，可减少PP改性过程中增强组分的使用量，降低复合材料的密度，实现材料的轻量化，达到节能环保的目的。高抗冲PP材料，由于其是通过加大橡胶含量共聚而成的PP材料，通过调整橡胶含量可以对复合材料的耐低温冲击性能进行调控。日本JPP公司采用HORIZONE工艺开发了新型PP树脂，其乙烯含量最高可达20%，橡胶含量最高可达50%，在汽车结构件中已经进行了应用。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS具有较高的冲击强度，较好的稳定性及耐溶剂，但纯ABS 表面硬度较低、容易产生划痕，且表面光泽度较差，应用领域较窄。聚甲基丙烯酸甲酯PMMA光学性能和耐候性较好、表面硬度高，但抗冲击强度较差。ABS 和PMMA 具有良好的相容性，因此，常通过对二者进行混合，得到光泽度高、防划伤、高冲击性能的合金材料，可以较好的应用在汽车材料领域。

3.特种橡胶

特种橡胶在汽车产业中有的应用也越来越广泛。汽车材料中的橡胶消耗量占全球总体橡胶产量的约70%。这样高程度的应用促进了橡胶产业的发展，提高橡胶的性能及环保标准迫在眉睫。车用橡胶材料需要兼具耐高温、耐油、耐磨等性能，才能满足日益发展的橡胶材料产业的需求。常见的特种橡胶包括氟硅橡胶、氟橡胶、氢化丁腈橡胶和丙烯酸橡胶等。氟硅橡胶是通过在硅橡胶的侧链上引入氟烷基团而成。其具有耐温性好、绝缘性好、透气性好、耐辐射及热老化性能优异等特点，氟橡胶的制备是通过在碳链的主链或侧链上引入氟原子，其具有良好的耐油和耐腐蚀性，广泛应用于汽车制造行业中；氢化丁腈橡胶是丁腈橡胶加氢后形成的饱和的弹性体，其机械强度高，并且对于时下非常流行的混合燃料有很强的适应性，可以应对限制乙醇汽油等混合燃料大规模发展而带来的难题。HNBR的耐氧化特性，能够使其很好的应用于汽车的燃油系统密封件、及密封圈中，性能优异；丙烯酸橡胶是通过丙烯酸酯共聚制备得到的，这种材料的耐油性和耐热性好。丙烯酸橡胶主要应用于润滑油系统的油封、减震等方面。

4..复合材料

复合材料由于具有优良的性能，并且成本低廉、可用性强。热塑性复合材料还具有可循环利用的特点，环保性能好，所以近年来复合材料越来越多的被应用于汽车产业中。汽车用非金属复合材料包括通用塑料、先进高性能工程塑料和树脂基复合材料等。树脂基复合材料根据增强体和基体材料不同，可以分为诸多类型，如上文提到的玻璃纤维增强型复合材料，以及碳纤维增强型复合材料，近期生物纤维增强型复合材料的发展势头也良好，生物纤维增强复合材料一般来源于植物，是一种绿色资源，可以回收和降解。生物纤维增强型复合材料对改善车内空气质量也有益处，可以在汽车内饰如门内板等进行应用。在车用材料领域，玻璃纤维增强型复合材料应用作为广泛，如乘用车车身空气导流板、前翼子板和前挡泥板延伸部件、发动机罩、装饰条、尾板等以及商用车的保险杠、翼子板、脚踏板、面罩等。玄武岩纤维增强复合材料由于其优异的性能和低廉的价格，正逐渐取代玻璃纤维增强复合材料，成为车用轻量化材料的新趋势。

早在2015年，美国能源部就宣布计划在5年里投入7000万美元用以推动复合材料的研发进程，以应用于清洁能源产品中。美国政府还宣布组建研究机构，用于专门研发先进复合材料，该研究机构的体制为合作制，直接与企业、高校和国家实验室对接，为创新复合材料技术的开发和研究提供最强有力的支持。复合材料的特点是可实现零部件的模块化生产，这就为汽车部件的生产提供了便利。如宝马公司生产的某系列的汽车变速器组件就是利用复合材料制备而成，通过复合材料，不仅节约了发动机舱内及其珍贵的狭小空间，同时成型工艺也变得更为简单。

竹纤维也叫竹原纤维，具有除臭抑菌、抗紫外线、吸音隔热、可自然降解等特性，是很好的可再生资源及环保材料，随着车用新材料的不断发展，竹纤维增强复合材料在汽车内饰上的应用越来越广泛，竹纤维增强复合材料由于其轻质特性，已经成为了比较重要的汽车轻量化材料，还可以在一定程度上对常规车用材料的性能进行，为汽车整车工程学的难题提供解决方案。竹纤维增强复合材料将成为炙手可热的车用材料。

四、结语

纵观今后车用材料产业的竞争，是一场轻量化的战争，同样是节能和环保的创新性竞争。车用新材料技术的发展将成为行业焦点的集中地。车用材料轻量、灵活的设计自由度、低廉的制作成本低、优异的物理性能，将是发展的必然趋势。同时，尽可能实现节能减排、提高车体安全性是车用材料研发者追求的目标。相信在愈发活跃的市场和科研氛围下，车用新材料领域会取得更快的发展，为市场提供更加安全、舒适、环保的汽车。

文/王维

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