我国汽车轻量化材料“十三五”时期发展回顾及未来展望
过去的十余年，特别是“十三五”以来，我国汽车轻量化材料开发及应用技术得到了快速发展。在高强度钢、铝合金、镁合金及非金属材料4大类轻量化材料方面，高强度钢应用基本达到国际同等水平，高性能铝合金应用已经开始起步，先进复合材料应用的相关研究工作不断深入。但与此同时，我国在各项异性材料零部件轻量化设计理论与方法，轻质合金大型薄壁压铸零部件的材料、成形控制技术，碳纤维复合材料的设计、制作工艺与参数控制、生产经验与数据积累、质量过程控制与性能评价等方面依然存在短板。
当今，全球汽车界已对铝合金、镁合金和碳纤维复合材料等在实现汽车轻量化中的作用有了高度认可，并对其有着更多的期待。比较而言，高强度钢仍然以其高性价比、成熟的应用技术、完善的供应链体系等因素受到汽车行业的青睐。各类材料应用的总体趋势表现为：
其一，低价位车型仍然采用以钢为主的用材策略，随着车型档次和价位的提升，铝镁合金、纤维增强塑料等用量的占比逐步加大；
其二，随着企业对碳纤维复合材料认识的不断深入，其应用更加趋于理性，碳纤维复合材料占主体的车型已不再受追捧，“恰当”成为汽车企业对碳纤维复合材料应用的核心思想；
其三，对于不同国家的汽车企业，在各类材料的应用方面存在一定差异，而影响这些差异的因素，包括各自国家的工业体系支撑能力、车企的零部件供应体系，也包括各个车企产品市场定位的深度思考。
结合《汽车产业中长期发展规划》对汽车产业发展阶段的预判，“十四五”期间轻量化材料方面的工作重点将是：构建完善的汽车用钢应用体系，突破超高强度钢的材料稳定性调控、成形、连接和评价等关键技术；加快提升铝合金、镁合金、塑料及复合材料性能，初步形成低成本、大丝束车用纤维材料生产能力，为形成轻量化多材料综合应用能力奠定基础。
1 我国汽车轻量化材料的应用现状
1.1 高强度钢及其应用
对近4年“欧洲车身会议”和“中国轻量化车身会议”展示车型的统计分析表明，我国乘用车车身的高强度钢应用水平已经达到世界先进水平详见图1（a）；欧洲车身会议展示产品的高强钢用量平均为56.7%，最高为73%，中国轻量化车身会议展示产品的高强钢用量平均为62%，最高为70.4%，显示了近些年我国汽车企业高强度钢应用水平的大幅度提升，从材料生产到零件加工生产体系的日臻完善。
由于总体上钢的性价比更高，在2018年我国上市140多款新开发车型中，80%以上车型车身选用以钢为主材料，中国品牌产品和合资品牌产品均如此，只是由于其面对的消费群体、成本控制要求和企业技术积累、研发能力、供应体系的差异，不同车企在选用汽车用钢种类、强度等级等方面略有不同。因此，从降低成本、规模化、方便管理等方面考量，有必要围绕统一规格、统一牌号、统一性能等做更多的工作。此外，通过制造流程的简约化从源头上进一步降低高强钢的制造成本，也是未来重要的发展方向。
从国际上看，尽管已经有了许多铝合金和碳纤维等材料应用的成功案例，但高强度钢仍然在企业用材策略中占据重要地位，详见图1（b），从这些案例中还可明显看到，各大车企在车身用材选择和成形工艺选择方面存在不同，而決定其高强钢用材策略的关键因素是钢厂的产品系列、产品规格、性能与价格以及供应链的支撑能力。
商用车方面，在国家标准《GB 1589—2016汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》开始实施和国家加强超载超限的治理等多重因素的影响下，近年来轻量化受到了商用车企业前所未有的重视。目前，我国车架、车厢板、车轮、桥壳、轴管等典型件用钢都已经形成了系列强度级别（如图2所示）。700MPa级单梁结构已应用于商用车车架轻量化；DP600应用于车轮制造实现减重15%，且冲压成形性好、疲劳寿命高；高强度钢冲焊桥壳已用于商用车桥壳轻量化。
综合以上分析，随着我国高强度钢生产技术的不断发展，在汽车钢品种和强度级别等方面已经与发达国家基本相当，我国在具有高强度高塑性特征的第3代钢开发和生产方面具有的世界领先优势为世界所公认，也为我国进一步推动高强度钢的应用提供有力支撑，高强度钢相关的一批团体标准的颁布，也为整车企业扩大高强度钢应用提供技术依据和材料保障。相信随着对“高强度钢回弹”“延迟断裂”等技术问题的认知不断深入与解决，以及采用近终形制造流程进一步降低高强钢的制造成本，将为高强钢的应用开拓更大空间。
与欧美相比，我国汽车用先进高强钢（Advanced high strength steels）的质量（品质）稳定性和一致性控制水平还有提升的空间，其品质及性能也明显低于日本同等的型号。对于汽车用超高强度钢（Ultra—high strength steels），由于零件设计—制造—应用技术的经验不足，导致其使用仍然落后于国外。
1.2 铝合金及其应用
近年来，我国汽车用铝合金发展较快，铸造铝合金、挤压铝合金、锻造铝合金以及车身内板用铝合金板材相对成熟，已经进入产业化应用或工程验证阶段。但在车身覆盖件用铝合金外板与7系铝合金领域，还依赖进口。从应用来看，除了传统在车轮和发动机领域的应用外，越来越多的企业将其用于乘用车动力系统壳体、车身防撞梁（前后保险杠）、行李架、转向节、摆臂（控制臂）、副车架和新能源汽车电池包等零件的生产（图3），目前单车平均累计用量120kg左右。
在2015年后新上市的车型中，出现了一批铝材在车身用材中具有较大占比的典型车型，如奇瑞eQ1（图4）、蔚来ES6、蔚来ES8（图5）、北汽LITE 4、东风全铝车身客车、中通全铝车身客车等，其中奇瑞eQ1、蔚来ES6、蔚来ES8、北汽LITE等4款车型车身铝合金用量分别达到64%、87.95%、91.5%、52.7%。但受制于铝合金零件设计和分析能力不足、缺乏完整的铝合金车身及铝合金底盘的验证能力和评价流程、成形工艺技术不够丰富、材料性能稳定性差等多重因素，我国在铝合金副车架、前后悬架等底盘部件上所取得的开发成果难以大批量应用，企业对铝合金在车身覆盖件和底盘件中的更大范围应用保持观望，提高铝合金零件质量和有效控制生产成本也面临诸多挑战。
从国外看，铝合金的应用已经较为广泛，尤其在中高端车型上，其主要特点体现在4个方面：一是5系和6系铝合金在车身覆盖件的应用技术已经较为成熟，部分车型车身覆盖件开始采用7系铝合金；二是性能更加优异的铝板材、铝锻坯、铝挤压型材和铸铝料材不断出现，为实现车身结构件、安全件和底盘零部件的铝合金化提供了更多解决方案；三是新的成形工艺技术不断出现并得到应用，如低成本高效连铸连轧技术、固溶处理热冲压冷模具淬火技术（HFQ）、均屈挤压技术等，其追求的目标是有效控制材料性能波动对零件加工质量的影响，精确控制零件制作精度，尤其是薄壁零件；四是基于先进的材料X射线分捡和分选、除Fe技术，已可实现材料的分类回收，铝合金的应用价值进一步得以实现。但要推动铝合金的进一步扩大应用，必须在有效控制铝合金应用成本方面找到对策，这也是全球汽车界共同面对的挑战。
1.3 镁合金及其应用
汽车有60多个零件可以选用镁合金材料，常用的镁合金主要有AZ（Mg—Al—Zn）系、AM（Mg—Al—Mn）系、AS（Mg—Al—Si）系和AE（Mg—Al—RE）系4大系列，广泛应用的是铸造镁合金。
在多个国家级科技项目的支持下，我国汽车镁合金应用取得了一定的进展，目前单车镁用量约为1～3kg，主要用于镁合金转向盘骨架，少部分新能源汽车采用了镁合金仪表板支架（图6）、电池箱体、座椅骨架、车轮等，个别车型实现了单车用镁量达到10kg以上。我国现有镁合金在汽车生产中应用面临的主要问题是产业链不健全，从产品设计、评价到材料生产、零件成形、连接等诸多领域的技术成熟度均有待进一步提高，镁合金件表面破损之后的防腐问题也是影响其应用的关键因素之一，从而影响到技术成果的转化效果。
在欧美国家，镁合金在汽车上的应用相对更加广泛，镁合金零部件设计经验比较丰富。但总体而言，受到技术、成本、耐腐蚀性差等多方面因素的影响，国内外汽车镁合金产业化进程均较为缓慢。
1.4 非金属材料及其应用
先进工程塑料和纤维增强树脂基复合材料等非金属材料，是实现汽车轻量化的重要技术手段之一。在过去的5年中，我国乘用车中非金属材料用量有了快速提升，已从2014年的8.5%增长到2018年的10.6%，但相比美系车的36.6%和德系车的30.7%，仍有较大差距。在商用车领域，我国非金属材料的应用好于乘用车，重型载货车约为13.6%，轻型载货车约为20.1%。
1.4.1 工程塑料及其应用
汽车用工程塑料种类较多，按照使用量由高到低，排名前几位的分别为聚丙烯（PP）、尼龙（PA）、丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚甲醛（POM），主要应用于汽车的内外饰件、车身覆盖件、发动机进气歧管、电子电气的接插件等零件中。
我国基于轻量化需求，围绕薄壁化、低密度、高耐划伤和高耐老化等方向开发出先进工程塑料，已具备产业化能力，如保险杠用高流动率PP、翼子板和覆盖件用高耐划伤和耐老化PP等。但某些高性能工程塑料，如PA66、PA11、PA12等尚需依赖于进口，迫切需要国产化。
从应用上来看，塑料及复合材料在汽车中的应用正在逐渐增多，并正从一般结构件扩展到性能要求更高的覆盖件，如翼子板、后背门外板等，并在一些新能源汽车车型实现产业化应用。例如，奇瑞eQ1车型（图7）采用了挤压铝车身框架+工程塑料蒙皮的设计，越来越多车型的车身三角窗、后背门也开始采用先进工程塑料，开创了我国此类材料应用的新局面。此外，国内在工程塑料低密度、微发泡、薄壁化等方面的研究工作已经取得了重要进展，技术水平与国外基本相当。但对比国外，提升材料性能的稳定性和相关零件设计评价能力，仍然是亟待解决的问题。
从国外发展现状看，最大的特点是先进工程塑料的应用体系较为完善，材料品种丰富且性能稳定性好，工艺技术不断创新，为不同零件加工提供了解决方案，为汽车企业选好材、用好材提供了有力支撑。
1.4.2 纤维增强复合材料及其应用
纤维增强树脂基复合材料主要应用在结构件上，材料包括玻纤增强复合材料、碳纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料、生物基可降解纤维增强复合材料等，其对车辆减重的优势不言而喻，也是各国实现汽车轻量化的重要手段之一。
从国内看，车用纤维增强树脂基复合材料应用已經有了较好发展，碳纤维增强复合材料应用有了较大进展，其他材料仍然处于研究中，具体如下。
车用纤维增强树脂基复合材料的应用以PP和PA6、PA66为主的短玻纤和长玻纤增强复合材料为主，已在前端模块、后背门、动力电池壳体等零部件产业化应用。
目前已经形成了一批具有一定规模的材料生产基地，大丝束碳纤维和热塑性单向带已实现批量生产，蔚来ES6和前途K50为我国碳纤维增强复合材料在汽车上的商业化应用做出了典范。但目前的应用仍局限于少数零件，我国在碳纤维增强复合材料零件设计和建模、低成本碳纤维材料生产、高效率零件加工设备等产业化应用技术上仍处于技术研究和经验积累阶段，成本高和生产效率低等问题也依然困扰着企业的生产和产品的商品化应用。
玄武岩纤维增强复合材料和生物基可降解纤维增强复合材料则还处于应用研究阶段，目前尚无成熟产品。
在国外，树脂基纤维增强复合材料的应用体系已经基本建立，产品设计和制造工艺技术不断成熟，应用的领域开始从传统零件向汽车板簧、传动轴等底盘零件延伸，宝马i3的推出，则让全球汽车界看到了碳纤维应用的前景。但从宝马在i3之后推向市场的几款产品中，碳纤维的应用发生了明显变化，“恰当使用碳纤维”成为后续几款产品的主要特征，如图8所示。
2 我国汽车轻量化材料存在的短板
对比国内外汽车轻量化材料的开发和应用，我国在材料的品质和性能稳定性、成形工艺的多元化、数据支撑和标准体系构建等方面均存在技术短板，加快建设我国轻量化技术开发和应用体系已是当务之急。
在高强度钢及其成形技术领域，技术短板主要集中在：高强度钢的质量稳定性和一致性；相关的应用体系（设计、数据、标准、评价等）的构建。
在铝、镁合金及其成形技术领域，技术短板主要集中在：材料性能稳定性；大尺寸零件尺寸精度和成形精度控制技术；多品种轻质材料和多种成形方式集成下的整车设计分析能力；铝、镁合金零部件的验证和评价流程；镁合金的耐腐蚀性能。
在非金属材料及其成型技术领域，技术短板主要集中在：碳纤维复合材料零件铺层设计、集成设计、高精度建模与性能预测方法；满足大批量高效率生产需求的低成本碳纤维复合材料生产及连接装备技术；高性能工程塑料和先进复合材料应用数据平台和评价体系构建。
3 轻量化材料技术发展趋势
3.1 高强度钢及其应用
高强高韧、低密度是世界汽车用钢的重要发展方向，也是实现汽车轻量化、改善材料成形质量的重要指标。目前我国已经开发出1200MPa、1500MPa、1700MPa、2GPa等级别的高强度钢，材料的延伸率也有了较大提升，如1500MPa热成形钢的延伸率达到10%左右，590MPa的DP钢（双相钢）的延伸率可以达到40%。如前所述，我国在低密度高强钢开发也已经取得了一定进展。未来的发展将仍然坚持高强高韧、低密度的发展路线，以有效改善材料成形性，降低废品率，提升零部件的使用寿命和轻量化水平。此外，基于近终形制造流程，采用高质量的薄规格热轧产品替代传统的冷轧产品，通过制造流程的高度简约化，实现绿色和低成本制造，也是汽车用钢的重要发展方向之一，有助于保持并且进一步扩大钢铁在汽车用材料中的竞争优势。
在汽车用钢成形工艺技术的发展过程中，围绕化解其技术难点、控制生产成本和提升材料性能也形成了一些新的创新思路：一是探索发展1 000MPa热成形钢，通过热成形技术，解决冷冲压工艺中高强度钢回弹及模具成本高的技术难题；二是将辊压成形工艺与热轧钢结合，利用热轧钢余热生产商用车用高强度钢零部件，解决商用车中厚板难加工和生产效率问题；三是发展短流程CSP、ESP高强度热轧钢的研究成果，有效控制材料的生产成本和改善材料的性能。
3.2 铝合金及其应用
铝合金同汽车用钢发展趋势有异曲同工之处，也在不断向高强度、高韧性方向发展，如铸造铝合金材料的屈服强度大于350MPa，延伸率已经达到20%以上。同时，国内外均在加快开发高性能铝合金材料，提升铝合金材料的高稳定性，如6系铝合金屈服强度大于400MPa、铸造铝合金拉伸强度提高至600MPa，其屈服强度波动在±15MPa内、疲劳强度大于150MPa。
在成形工艺方面，未来的发展主要集中在薄壁化铝合金成形工艺和产业化技术开发、成形过程中铝合金流动特性及其仿真分析以及拓展粉末冶金、半固态成形、液態模锻、温热成形、辊压技术等多种铝合金成形工艺等方面。
3.3 镁合金及其应用
现阶段镁合金应用主要以铸造工艺和小尺寸零件应用为主，未来的趋势：一是丰富工艺手段，向锻造工艺、冲压工艺和挤压成形工艺发展；二是向大尺寸、薄壁化复杂结构零件的应用发展；三是开发高强度镁合金材料应用于轮毂等受力件，开发耐高温镁合金材料应用于变速箱壳体、发动机支架、减振器支架等部件。
基于以上需求，急需解决强度低、耐腐蚀性差和成本高这3大影响镁合金材料产业化应用的技术难题，国内外的科学家和工程师均在为此而努力。例如，日本在2014年提出分2个阶段提高镁合金力学性能，分别是2015年抗拉强度350MPa以上（延伸率13%以上）与2017年抗拉强度360MPa以上（延伸率15%以上）；又如，美国能源部在2013—2018年期间组织汉高等企业，联合开发低成本耐蚀镁合金材料。经过这些年的努力，我国在解决耐蚀性问题方面形成了2条并行的技术路线，一是加强镁合金涂层技术研发与应用，二是从基体层面解决镁合金腐蚀问题。此外，低成本的材料制备及成型工艺开发也更加重视。
3.4 非金属材料及其应用
内外饰产品是汽车轻量化重要组成部分，其主要选用先进工程塑料，如PA6T、PA9T、热塑性聚酯弹性体（TPEE）等，未来内外饰轻量化的发展主要体现在结构薄壁化、材料低密度化和金属树脂化。
结构薄壁化，即采用高性能材料，在保证产品性能情况下，壁厚减薄，实现轻量化，由此对材料流动性、冲击等关键性能提出了更高要求，如前后保险杠。
材料低密度化，即降低材料本身密度，进而实现产品的轻量化，如门护板采用聚丙烯材料密度由0.95g/cm3降低到0.90g/cm3。
金属树脂化，即采用先进工程塑料代替传统的金属材料，实现产品轻量化。
大丝束、低成本和可降解是未来碳纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料、生物基可降解纤维增强复合材料的重要发展趋势。其中碳纤维增强复合材料更是首选材料，正在逐步向48～50K等大丝束方向发展，例如宝马i3车型就选用了50K的大丝束碳纤维。为此，各国的汽车企业都在加快相关零件设计和制造关键技术开发和产业链布局，美国和日本则在加快热塑性碳纤维复合材料成形技术的研究进程，如热塑性预浸料工艺、热塑性碳纤维复合材料拉挤工艺、在线模压工艺及碳纤维与玻纤等混编工艺等，以求进一步提升生产效率、降低系统工艺成本。
4 轻量化材料开发与应用的“十四五”展望
2017年4月颁布的《汽车产业中长期发展规划》明确提出了2025年发展目标：我国新车平均燃料消耗量乘用车降到4.0L/100km、商用车达到国际领先水平，排放达到国际先进水平；新能源汽车占汽车产销20%以上，新能源汽车能耗处于国际领先水平，新能源汽车骨干企业在全球的影响力和市场份额进一步提升；若干中国品牌汽车企业产销量进入世界前十，中国品牌汽车在全球影响力得到进一步提升。2020年2月，国家发展和改革委员会等11个部委共同颁布的《智能汽车创新发展战略》提出，到2025年将实现有条件自动驾驶的智能汽车达到规模化生产，实现高度自动驾驶的智能汽车在特定环境下市场化应用。
上述文件提出的各项目标对汽车轻量化提出了新挑战。同时，2020—2025年也将是中国汽车产业实现从重规模向重质量转变的关键时期，其基本特点是：外资企业将加快在中国市场的布局，中国品牌将比以往任何时期面临更大的竞争压力；将有更多中国企业布局全球，轻量化技术能力对中国品牌立足世界的重要性更加突出。因此，这一时期我国汽车轻量化技术发展将承担起攻坚克难、为中国汽车节能减排及可持续发展尽一份力量，并为轻量化技术持续发展奠定基础的关键时段。一方面，在这一阶段中国品牌产品对成本仍然具有较强的敏感度，汽车用材以钢为主的局面不会改变，必须在提升汽车用钢水平方面有更大作为；另一方面，为增强中国品牌产品的持续竞争力，必须强化多材料混合应用的技术储备和产业布局。
基于以上判断，我国2020—2025年汽车轻量化材料开发及应用目标应为：构建完善的汽车用钢应用体系，通过流程创新降低汽车用钢的制造成本，进一步提升高强度钢的应用水平，掌握基于成本约束和工艺实现的结构-性能一体化设计方法、基于疲劳寿命的承载件轻量化设计方法；突破超高强度钢的材料稳定性调控、成形、连接和评价等关键技术。加快提升铝合金、镁合金、塑料及复合材料性能，初步形成低成本、大丝束车用纤维材料生产能力，为形成轻量化多材料综合应用能力奠定基础，积累材料性能、及测试评价的数据和经验；形成相关材料标准与规范；初步形成部分产品部件的标准与规范。