今年7月份，上海、广州、天津等地将实施“国六”排放标准。“国六”排放标准分为ab两个标准，a标准略严于欧洲第六阶段排放标准限值水平，b标准限值相当于美国Tier3排放标准中规定的2020年平均限值。“国六”到底有多严？我们举个例子来说，与“国五”排放标准限值相比，“国六”b标准的一氧化碳和氮氧化物限值分别下降了50%和42%。可见，我国推进超低排放的决心之大。这对汽车行业而言相当于指明了发展方向，即实现节能减排和车身轻量化。
汽车要实现轻量化必然需要研发轻量化材料。“集成高强钢、铝合金、镁合金、碳纤维等多种轻质材料是未来汽车用材的发展方向。”这是《中国冶金报》记者从日前在重庆大学召开的以“新材料、新工艺、新技术”为主题的2019汽车轻量化与高性能材料技术论坛上获知的信息。
节能减排要求轻量化
全球汽车产业正面临深刻变革，在环保需求、安全法规、信息技术和人工智能的综合推动下，汽车行业正向着“新四化”（电动化、智能化、网联化和共享化）的发展方向变革，这就对汽车的开发目标、研发手段和测评技术等都提出了更高要求。
再加上我国近年来大气污染严重，汽车行业节能减排压力巨大。从环保需求来看，目前我国汽车用汽、柴油消费量占全国汽、柴油消费量的55%，每年新增石油消费量的70%以上被新增汽车所消耗。石油消费的快速增加，一方面增加了能源供应压力，造成我国原油对外依存度逐年增加；另一方面也导致我国碳排放量迅速增加，对环境造成不可逆的影响。
在全球倡导节能减排的背景下，我国明确提出到2020年乘用车新车平均燃料消耗量降至5升/100公里。在采用“国六”的排放标准后，对汽车行业的节能减排技术提出了更高要求。
“在汽车行业节能减排路径中，汽车轻量化是最容易实现、潜力相对较大的方式。”长安汽车工程研究总院副总经理冯刚说，“研究发现，汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；汽车整备质量每减少100千克，百公里油耗可降低0.3升~0.6升。”
此外，对于新能源汽车而言，汽车轻量化更是解决续航问题的有效途径。“目前电动化已是汽车产业不可逆转的潮流。由于电驱动本身的技术及配套产品的成熟度较低，同平台下的电动车整备质量往往比燃油车更重。为了跨过续航门槛，电动化时代下的轻量化需求更为迫切。”重庆大学汽车工程学院“百人计划”研究员詹振飞认为。
轻量化务必选材得当
实现汽车轻量化主要有两个途径：一是通过整车和零部件优化结构设计，如除去零部件多余部分（薄壁化、中空化），减少零件数量，设计全新结构等；二是轻量化材料和工艺开发，即用低密度材料代替钢铁材料的应用，主要采用轻量化材料以减轻零部件重量。
从长期来看，合适的轻量化材料应用到合适的部位，才能最大程度上发挥材料特性。“汽车轻量化首先要选材得当，利用新的成型技术优化零部件结构，使合适的材料用在合适的车身部件上，可以减轻车身重量。”河钢集团钢研总院首席工程师王立辉博士在此次论坛上表示。
从不同材料分析来看，高强钢可以降低钢板厚度，主要用于外覆盖件、白车身和悬挂件等；铝合金、镁合金和工程塑料等低密度轻质材料，主要用于发动机缸体、方向盘骨架等非结构件。并且，从近期应用结合未来发展来看，高强钢、铝合金仍然是当下主流的轻量化材料，而镁合金目前呈现出的轻量化效果较好，具有较大的增长空间。
中国现在已经成为汽车用镁合金零部件的生产大国。中国工程院院士潘复生教授认为，镁合金轻量化效果好，资源丰富，功能特性优良，其扩大应用对全球节能减排和缓解矿业资源危机具有重要的战略意义，再加上镁合金比强度高可以明显减轻车身重量，同时可以实现减振降噪、屏蔽电磁辐射等，在汽车、摩托车和其他轨道交通等方面有广泛的应用前景。
此外，铝合金具有比强度高、耐腐蚀和良好的加工成型性，热处理后强度可与钢相媲美，是汽车轻量化主要选择的替代材料。目前，我国交通运输业用铝的比例约为20%，增长空间广阔。
研发空间巨大
新材料的应用要经历一个漫长的过程。由于汽车轻量化包含不确定性分析、最优化方法、近似建模等多领域的理论与技术，又涉及安全性、可靠性、耐久性以及舒适性等多个学科，是多部门、多平台、多学科的综合，其问题的复杂性远远高于普通产品。虽然与10年前相比，我国基本上解决了汽车材料轻量化的设计问题，但离国际先进水平仍有很长一段距离，颇具挑战性。
其中，汽车材料及制造成本、轻量化效果和技术成熟度之间的平衡成为汽车选材、用材和实现轻量化的突破口。“整车结构轻量化必须在保证整车结构力学性能指标的前提下实施，如刚度性能、强度性能、NVH（即噪声、振动和声振粗糙度）特性和结构耐撞性，需根据工程经验反复修正方案。”重庆大学汽车工程学院张志飞副教授说。
在汽车轻量化用新材料研发方面，上海交通大学刘钊建议，碳纤维复合材料具有多尺度特性，在细观和介观尺度上存在结构特征复杂、力学性能参数不确定等难题，可开展不确定性的碳纤维复合材料本构建模以及多尺度不确定性优化方案研究，对推动复合材料在汽车轻量化中的应用意义重大。
同时，搭建交流合作平台也是促进汽车轻量化用材料发展的关键。在车型开发的不同阶段，零部件的优化设计需要综合考虑安全性、经济性和技术成熟度等很多复杂因素，研发出的新材料和新技术，必须由材料供应商、车企等紧密配合，经过使用验证和系统评价才能走向成熟、走向市场，真正达到整车轻量化的目的，从而实现材料替代和节能减排。
此外，钢铁材料是汽车最重要和不可或缺的材料，汽车轻量化和高强度钢材的研发已经成为钢铁行业的重要课题。“从制造到服务，实现产学研用的深度融合，才能全方位推进汽车轻量化发展。”河钢集团钢研总院首席工程师齐建军说。
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