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近年來，隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展以及人們生活水平的提高，汽車保有量急劇增加，對能源的依存度也越來越高，節(jié)能和環(huán)保已經(jīng)成為世界汽車工業(yè)目前發(fā)展面臨的2大難題。研究表明，降低汽車重量能夠有效降低油耗以及排放，整車質量每下降10%，油耗下降6%～8%，排放下降4%～10%，輕量化已經(jīng)成為汽車工業(yè)的一個重要發(fā)展方向，新材料的應用則被認為是實現(xiàn)汽車“減重”的關鍵。德國、美國、日本等汽車制造大國紛紛加強輕量化材料在汽車領域的應用，并取得了較好效果。相比之下，我國汽車在輕量化材料應用方面與國外先進水平相比存在較大差距，如鋁及鋼用量約是國際先進水平的一半左右，鎂合金用量則是歐洲先進水平的1/10左右。因此深入研究發(fā)達國家在汽車輕量化材料應用方面的成功經(jīng)驗，可以給我國的汽車輕量化材料推廣應用帶來很多啟示。

 

1 、 輕量化已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢

 

1.1  各國紛紛收緊汽車能耗及排放政策

 

能源與環(huán)境危機加速了各國政府對汽車能耗和排放的嚴格控制，日本從1966年就開始加強對汽車排放的控制，其2005年開始實施的長期限制標準被譽為世界上最嚴格的尾氣限制標準。2009年5月，美國奧巴馬政府也宣布了限制汽車溫室氣體排放和油耗的新法規(guī)，要求在2016年新車平均燃油經(jīng)濟性要在2007年水平基礎上提高42%。此外，韓國也計劃于2020年繼續(xù)收緊對于汽車排放的控制法規(guī)。輕量化設計將成為目前改善汽車能耗和排放的必要途徑之一。詳見表1所示。

 

表1 部分國家汽車燃油經(jīng)濟性/溫室氣體排放標準

	2015年	2020年	2025年
歐盟	130g/km	95g/km	75g/km
日本	17.0km/L	20.3km/L	—
美國	32.6mpg	44.8mpg*	54.5mpg
中國	6.9L/100km	5.0L/100km	4.0L/100km

注：*指的燃油排放目標為美國2017年目標。

 

1.2  各國政府高度重視汽車輕量化技術研究

 

美國政府早在1993年就提出了新一代汽車合作計劃（PNGV），其中整車輕量化應用技術是其中主要的技術路線，2002年又提出了自由合作汽車研究（CAR）計劃，輕量化也是核心的技術路線之一。2005年歐盟第六框架計劃之下也開展了超輕車身聯(lián)合研發(fā)項目（SuperLIGHT—CAR）研發(fā)項目，目的是減少轎車質量、節(jié)約燃油和減少CO2排放，實現(xiàn)車身減重30%。此外，世界鋼鐵聯(lián)盟也先后開展了超輕量化鋼汽車車身項目、超輕量化鋼先進汽車項目等，加強汽車輕量化相關技術攻關。

 

1.3  汽車輕量化材料應用逐年提升

 

隨著各國對汽車輕量化的重視程度不斷提高，輕量化材料應用比例呈現(xiàn)逐年上升的發(fā)展趨勢，目前全球車企使用較多的輕量化新材料主要包括碳纖維、鋁合金、鎂合金、工程塑料等。德國、美國、日本是目前全球汽車輕量化材料使用比例相對較高的國家，其中德國的汽車輕量化材料應用占比達25%左右，是全球使用比例最高的國家，詳見表2所示。

 

表2 部分國家輕量化材料應用占比

	2015年占比/%	2020年占比/%	代表性企業(yè)
德國	25	34	寶馬、奧迪
美國	15	20	特斯拉、GM、福特
日本	7	20	豐田、本田

 

2 、國外汽車輕量化材料應用的主要做法

 

2.1  政府引導有力

 

出臺多項政策措施。目前美國、德國、日本等國際汽車強國都紛紛出臺了相關政策扶持、引導汽車輕量化應用，并且從技術標準、財稅政策、科技計劃等多方面出臺多項政策措施，倒逼汽車輕量化材料應用快速發(fā)展，詳見表3所示。

 

表3 主要國家汽車輕量化政策措施

	主要措施	國家/地區(qū)
技術標準	燃油經(jīng)濟性標準	美國、日本、加拿大、澳大利亞、韓國
	溫室氣體排放標準	歐盟、美國加州
	技術要求及目標	美國加州
財稅政策	高額燃油稅	歐盟、日本
	重量稅	日本
	財政補貼	歐盟、日本
	經(jīng)濟處罰	美國
科技計劃	共性關鍵技術研發(fā)項目	美國、日本、歐盟
	鼓勵和支持跨產(chǎn)業(yè)合作	美國汽車研究委員會

 

明確發(fā)展目標和技術路線圖。目前美、日、歐、韓等國都針對汽車輕量化提出了明確的發(fā)展指標和技術路線，如美國不僅提出了整車輕量化的目標，并且針對這個目標對包括車身系統(tǒng)、底盤、動力總成在內的整個組成系統(tǒng)進行目標拆分，同時重點關注高強鋼、鋁、鎂、鈦合金鎳合金、復合材料等汽車輕量化材料，詳見表4所示。日本則重點關注鋼鐵、非鐵金屬（鋁、鎂等）、樹脂/復合材料等材料，及其加工技術和連接技術，并提出明確的輕量化目標。

 

表4 美國汽車輕量化材料技術路線

 

	2010年	2025年	2050年
高強鋼	—	拉伸強度1 500～2 000MPa	拉伸強度2 500～3 000MPa
		密度下降5%	密度下降10%
		模量增加10%	模量增加20%
鋁	高性能鋁合金無循環(huán)利用	機械性能提升40%	機械性能提升200%
		成本降低25%	成本降低40%
		高性能鋁合金循環(huán)利用50%	高性能鋁合金循環(huán)利用100%
鎂	成本是鋁的2倍；耐腐蝕、連接、兼容性差	成本與鋁相當	成本與鋼相當
		合金可用性能提升2倍	合金可用性能提升4倍
		消除異種材料電化學腐蝕	通用的一步式預處理
鈦合金 鎳合金	成本過高，是不銹鋼4倍	成本降低50%	成本降至鋁合金水平
		成本是不銹鋼2倍	成本是不銹鋼1.5倍
復合材料	碳纖維12美元/磅	碳纖維占車重5%	碳纖維占車重15%～25%
		碳纖維5美元/磅	碳纖維2.5美元/磅
		玻纖剛度提升30%	玻纖剛度與鋁材相當
		碳纖25%可再生，碳足跡降25%	碳纖50%可再生，碳足跡降75%

 

2.2  加強多部門的協(xié)同創(chuàng)新

 

目前世界各國都高度關注輕量化材料及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在推動模式上，不僅有政府的強力推動，同時注重各方的協(xié)同，在共性關鍵技術研發(fā)上，一般都是采用政府支持、社會組織協(xié)調、產(chǎn)學研共同參與的模式，鼓勵和支持跨產(chǎn)業(yè)合作，利用研發(fā)計劃、科技計劃等方式給予支持，推動構建“企業(yè)+高校+研究機構”的產(chǎn)業(yè)組織體系。

 

為支持輕量化材料發(fā)展，美國還成立了“面向未來輕量化創(chuàng)新中心”，目前創(chuàng)新中心的會員單位已經(jīng)超過200家，涵蓋了研究機構、大學、制造企業(yè)、社區(qū)學院、非盈利機構等產(chǎn)學研各方，有利于集中資金、人才、設備等各類資源，開展多方協(xié)同創(chuàng)新。

 

日本、德國輕量化材料的研發(fā)項目雖然大多數(shù)都是由企業(yè)自己執(zhí)行，但是政府充分發(fā)揮推動作用，通過經(jīng)費投入、組織協(xié)調、政策保障等方式組織各方創(chuàng)新力量協(xié)同，形成各創(chuàng)新主體分工明確而又協(xié)同有序的發(fā)展形勢。

 

2.3  重視專利的戰(zhàn)略布局

 

從全球汽車輕量化技術專利來看，日本、德國、美國的專利占比約占全球專利總量的70%左右，其中核心專利達到80%以上。企業(yè)分布以車企為主，同時還包括鋼鐵制造、化學制品、電子產(chǎn)品、橡膠等生產(chǎn)企業(yè)。不同的企業(yè)針對各自的研發(fā)方向各有側重，并且圍繞其核心專利進行全球化布局。全球主要車企的輕量化材料專利布局重點詳見表5所示。

 

表5 全球主要車企的輕量化材料專利布局重點

 

 

企業(yè)名稱	國別	專利布局重點
本田	日本	高強度鋼、空心鋁、鎂等輕量化材料
奔馳	德國	鋼鋁混合材料
通用	美國	高強度鋼、鋁、鎂合金、鈦合金及復合材料
豐田	日本	纖維增強鋁基合金、鋁鎂合金
大眾	德國	碳纖維、鋁材

 

 

 

2.4  優(yōu)先選擇豪華車和新能源車

 

成本高是制約汽車輕量化材料應用的一個主要瓶頸。一是研發(fā)成本高，汽車輕量化材料的研發(fā)投入大、周期長、風險高。二是材料成本高，高強鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維等輕量化材料相比傳統(tǒng)的鑄鐵、鋼材等價格較高。三是車企制造成本高，新材料的使用需要車企更換新的、與材料性能相適應的模具、生產(chǎn)線和設備等，帶來企業(yè)生產(chǎn)成本增加。四是后期維護成本高，受制于鋁合金、碳纖維等材料屬性，發(fā)生事故車身受損后維修成本很高。為應對成本高問題，目前國外車企在輕量化材料的應用上優(yōu)先選擇對成本不敏感的豪華車和新能源車，以推動輕量化材料的應用推廣。

 

豪華車由于對成本的敏感度較低，更加注重速度和性能，已經(jīng)成為輕量化材料的應用重點。自2011年寶馬發(fā)布由復合材料制造的BMW i子品牌，就開啟了豪華車“輕量化”時代。目前寶馬、奔馳、奧迪、保時捷、法拉利等豪華跑車和高端車品牌紛紛在部分車型上實現(xiàn)大規(guī)模的輕量化材料應用（表6）。

 

表6 大規(guī)模使用輕量化材料的豪華車型

車型	特點	上市時間
BMW i8	碳纖維+鋁合金，混合動力	2013年
奧迪R8	減重50kg	2014年
保時捷817	全碳纖維熱塑	2017年
勞斯萊斯古斯特	碳纖維，減重200kg	2018年

 

新能源車也是輕量化材料大規(guī)模應用的一個重點方向，一方面輕量化材料應用對提升新能源車電池續(xù)航里程的作用優(yōu)勢明顯，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，整車質量減少10%，單次充電的行駛里程增加5.5%，另一方面部分新能源車屬于新車型，不存在傳統(tǒng)車型模具的成本支出，能夠有效降低輕量化材料的使用成本。如特斯拉的Model S和Model X均采用了全鋁車身，即約90%的機構件均使用鋁合金，降重效果十分明顯。

 

2.5  注重多種材料的綜合優(yōu)化應用

 

鋁合金由于在汽車上使用較早，工藝相對成熟，是很多車企首選的輕量化材料，并致力于打造全鋁車身。但隨著眾多新材料的不斷涌現(xiàn)，對汽車零部件的選材也有了更大的選擇空間，單一材料已經(jīng)難以同時滿足汽車零部件輕量化、工藝性、安全性、低成本等多種要求。因此國外車企在滿足汽車零部件基本性能要求的前提下，更加傾向于“多材料組合”和“合適的材料用于合適的部位”，如新一代奧迪A8豪華車型已經(jīng)正式放棄全鋁車身，回歸選用鋼鐵材料，特斯拉Model 3為降低成本，也放棄全鋁車身，選擇了鋼鋁混合車身結構，多種材料綜合優(yōu)化應用逐漸成為世界各國發(fā)展汽車輕量化的主要方向。

 

北美地區(qū)以年均5.6%的復合增長率成為全球最大的汽車輕量化材料市場，其輕量化材料的應用也呈現(xiàn)多種材料綜合應用的發(fā)展趨勢，除了傳統(tǒng)的鋼鐵、鑄鐵等材料的應用比例有所下降外，鋁、其他金屬、塑料等輕量化材料呈現(xiàn)逐漸上升的發(fā)展趨勢。圖1展示了1975—2025年北美地區(qū)汽車輕量化材料應用比例變化。

圖1 1975—2025年北美地區(qū)汽車輕量化材料應用比例變化

3  、對我國汽車輕量化材料應用的經(jīng)驗借鑒

 

3.1  加強政策扶持和引導

 

一是充分發(fā)揮現(xiàn)有政策的引導作用，利用現(xiàn)有新材料生產(chǎn)應用示范平臺、檢驗檢測平臺、首批次保險、新材料專項、重大科技專項等，加大對汽車輕量化材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的引導。二是從控制溫室氣體排放、提高燃油稅和重量稅、加大研發(fā)投入等多方面進一步完善輕量化材料的扶持政策體系，尤其在稅收、消費等環(huán)節(jié)加強針對輕量化汽車的鼓勵政策，倒逼企業(yè)加大汽車輕量化材料的應用。三是加大對輕量化材料的財政支持力度，通過貼息貸款、補助等方式，對重點輕量化材料領域開發(fā)的市場前景好、技術成熟度高、易于產(chǎn)業(yè)化的項目進行重點扶持，加大推廣應用力度。四是盡快完善汽車工業(yè)的材料標準體系，對一些長期沒有修訂、與輕量化汽車市場需求不相適應的標準進行修訂，加快制定高強鋼、鋁合金、鎂合金、塑料、碳纖維等汽車新材料及零部件技術標準。

 

3.2  強化協(xié)同創(chuàng)新

 

一是組織科研機構、大學、汽車制造企業(yè)、材料生產(chǎn)企業(yè)等組建國家級輕量化材料創(chuàng)新中心，重點解決我國目前輕量化材料應用比例偏低、關鍵核心技術基礎不牢、創(chuàng)新載體分散、創(chuàng)新成果轉化不暢等核心問題，實現(xiàn)創(chuàng)新資源整合，推動知識、資本、人才的靈活流動和合理配置，重點加強整車設計優(yōu)化和評價技術、零部件設計和評價技術、新材料開發(fā)和成型技術、連接技術等關鍵技術的攻關及產(chǎn)業(yè)化。二是充分發(fā)揮企業(yè)在技術創(chuàng)新決策、研發(fā)投入、科研組織和成果轉化中的主體作用,加快構建以企業(yè)為主體、市場為導向、產(chǎn)學研相結合創(chuàng)新機制。三是鼓勵產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作，加強材料生產(chǎn)企業(yè)與汽車制造企業(yè)之間的合作，通過建立聯(lián)盟、開展產(chǎn)業(yè)對接會等形式，打通上下游產(chǎn)業(yè)通道。

 

3.3  開展應用示范

 

一是整合相關政策資源，在全國范圍內選擇技術較為成熟、人才資源豐富、市場基礎好的車企進行先行先試，并根據(jù)市場情況進行推廣，示范過程中加快制定相關行業(yè)標準，形成可以復制的經(jīng)驗。二是充分發(fā)揮我國作為全球最大的新能源汽車市場優(yōu)勢，優(yōu)先選擇技術較為成熟的新能源車型開展示范，通過貼息、消費補貼等形式進行扶持。三是鼓勵地方政府針對當?shù)匕l(fā)展現(xiàn)狀，篩選有實力的企業(yè)開展應用示范，并進行相關扶持。

 

3.4  重視專利的質量提升和前瞻性布局

 

一是通過開展專利講座、專利申請前評估、細化鼓勵政策等措施，引導企業(yè)、科研院所等強化對高質量專利的重視程度，提升我國輕量化專利質量和水平，尤其是核心專利的占比。二是引導實力較強的生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合科研院所加強對專利的前瞻性布局，尤其在材料研發(fā)、車身輕量化優(yōu)化設計、成型焊接工藝等國內較為薄弱的領域進行全球性專利布局。三是加強對全球輕量化核心專利的系統(tǒng)性研究，尤其是美國、日本、德國輕量化材料專利的發(fā)展趨勢，了解其專利申請保護的策略，預判技術發(fā)展趨勢，開展專利分析預警工作，為我國未來汽車輕量化戰(zhàn)略布局提供借鑒。

 

文/馬琳1   耿雷2

1、工業(yè)和信息化部賽迪智庫原材料工業(yè)研究所

2、北京鵬龍?zhí)靹?chuàng)物資貿(mào)易有限公司