2024年3月17日发(作者：江淮iev6e2017款)
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时代汽车
汽车轻量化材料的应用及现状
李洺君 王明明 吕文静
华北理工大学 河北省唐山市 063210
摘 要： 节能减排是永远的课题，汽车轻量化是节能减排的重要举措之一。汽车轻量化不仅能有效降低汽车油耗，
还可以延长汽车使用寿命，对汽车工业的发展和人们的生活都具有重要意义。针对汽车轻量化材料的应
用及现状进行讨论，分析各种材料在汽车轻量化中使用的优势及劣势，为汽车制造过程中材料的选择提
供支持。
关键词：汽车轻量化；轻量化材料；应用现状
1 前言
“国六”排放标准即将正式实施，汽
车轻量化的发展越来越紧迫，传统钢材已
经不能满足汽车的质量要求，各种轻量化
材料在汽车中所占比例逐渐增长。随着现
代汽车对强度和轻量化要求不断提高，轻
量化材料的研发和选用显得至关重要，本
文通过分析轻量化材料的应用途径及现状，
阐述了轻量化材料发展所面临的挑战，并
提出了解决方案。
3 轻量化材料的应用
如图1所示，福特的新轻型汽车通过使
用碳纤维油底壳、铝制连杆、尼龙复合材料
仪表盘、聚碳酸酯后车窗、碳纤维车轮毂等，
使车重减少了25%。下面将对目前常用的轻
量化材料进行介绍。
比上一代白车身减重近35kg。
图2 Audi A8 D3车身
Audi A8 D3
图1 汽车轻量化的途径
福特的新车看起来像是一辆融合车，但重量却减轻了800磅或25%。
发动机：1.0升
三缸取代1.6升
四缸，使用碳纤
维油底壳和铝制
连杆，可使重量
减轻24%
后窗：聚碳酸酯，
挡风玻璃：混合
化学钢化层压板
仪表盘：碳纤维
一种常用于手机上
和尼龙复合材料
的透明塑料，比玻
比普通玻璃轻
比钢轻30%
璃轻50%
35%
铝板材
铝型材
铝铸件
2 汽车轻量化的意义
有研究验证了，汽车每减轻0.1t，最多
可节约燃油0.6L/100km，并且可减少CO
2
排放11g/100km，大量的研究都证明汽车
轻量化对于降低燃油汽车油耗、满足节能环
保要求有很重要的作用。
徐建全等
[2]
[1]
2000年奥迪公司推出的奥迪A2，首次实
现了全铝车身技术在微型轿车上的应用，其
ASF车身是A8之后的第二代铝制空间车架，
具有质量轻、强度大的优点。此外还有特斯
对纯电动汽车的轻量化效果
悬架：复合
材料弹簧比
钢制弹簧轻
57%
制动器：使用喷涂
不锈钢图层的铝合
金前制动盘，重量
减轻39%
座椅：由碳纤维和
钢制成的座椅框架
比钢本身轻17%
车轮：19英寸碳
纤维车轮比18英
寸铝车轮轻42%
拉、路虎、捷豹等国外品牌在汽车中大量使
用铝合金，获得了良好的减重效果，如2019
年上市的新款特斯拉Model S通过大量应用
铝合金，减轻了整车质量，使其最长续航里
程可达660km。我国也逐渐将全铝车身应用
于新能源汽车的制造，2016年南宁市有18辆
全铝车身新能源公交车投入使用。除全铝车
身外，用铝导线大规模代替铜导线，可将导
线质量降低60%以上，并且减少成本40%～
50%
[4]
。铝具有良好的延展性，使其能有效缓
进行分析，证明了轻量化不仅可以节约能源，
还可以在电池容量相同的条件下增加汽车的
续航里程，延长电池寿命。由此可见，电动
汽车的轻量化在提高电动汽车性能方面也有
很重要的作用。此外，减少汽车的质量还可
以减轻悬挂系统的负担，减小汽车惯性
[3]
，对
车辆起到保护作用。
3.1 有色合金材料
3.1.1 铝合金的应用
铝合金早在1899年便在汽车中应用，到
了20世纪90年代以讴歌NSX为首的超级跑
车在汽车制造中使用铝。全球第一辆具有全
铝车身的汽车是奥迪于1994年开发的，如图
2所示，其AFS白车身所用材料几乎全是铝材，
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解汽车碰撞时带来的冲击，所以铝合金保险
杠的耐撞性优于钢制保险杠。
据相关统计表明
[5]
，全球平均用铝量逐
年攀升，预计到2050年平均汽车用铝量将达
到240kg/辆，目前中国汽车平均用铝量约为
153kg/辆，是2050年平均用铝的64%，不
论是与发达国家平均用铝水平还是我国长期
的发展目标都有很大差距，因此，铝合金在
汽车上的使用仍有很大的提升空间。
铝合金虽然具有轻量化、成型性高的特
点，但其应用也受到一些限制。首先，铝合
金的高强度是比强度，即强度与密度的比值，
但相比于传统的钢材，铝及铝合金的强度和
硬度都比较低，在保证汽车的安全性上具有
一定挑战。其次，铝及铝合金的产量相比于
传统钢材也有很大差距，并且暂时没有超过
钢材的可能。最后，铝的价格比传统钢材高，
而且铝材在汽车行业应用的兴起有可能造成
铝价的进一步上升，在一定程度上也会影响
铝材的应用。
3.1.2 镁合金的应用
镁合金在汽车上的应用最早可追溯到
1930年的德国，其用量仅有73.8kg。1938年
大众生产的“大众1型”轿车使用了压铸镁
合金制造传动系统的零部件
[6]
。镁合金汽车座
椅也是较早的镁合金汽车零部件之一，镁合
金的座椅靠背和座框相比于钢制座椅可以分
别减重47.7%和44.2%。在乘用车中，福特
探险者的第三排座椅靠背就应用了压铸镁合
金零部件。除了座椅骨架之外，座椅的支撑
支架也可以使用镁合金，可以在满足座椅高
度需求的同时减重，座椅舒适性也可以相应
提升。
得益于其良好的电磁屏蔽性能和高比强
度、高阻尼能力，镁合金在很多领域都体现
出比铝和钢更好的使用性能，在汽车领域的
应用也越来越广泛，如方向盘、汽缸盖、发
动机缸体、门框、进气歧管以及各零部件安
装所需的螺钉，都可以使用镁合金进行制造。
现在，我国汽车的用镁量为1.5kg/辆，
而北美为3.8kg/辆，日本为9.3kg/辆，虽
然与这两个国家有一定差距，但根据《节能
与新能源汽车技术路线图》，到2025年我国
每辆车使用镁合金要达到25kg，并逐步缩小
与发达国家的差距。
虽然镁具有很多优点，但其价格是铝的2
～3倍，钢铁的4倍左右，比较昂贵，随着
技术的发展，低成本镁合金会逐渐研发使用
[7]
钛合金粉末的力学性能与粉末循环次数没
有任何明显的关系，从侧面佐证了钛合金
材料的回收利用是可以实现的，并且循环
利用次数不会显著影响钛合金材料的性能。
未来，钛及钛合金在汽车领域的广泛利用
值得期待。
3.2 高强度钢的应用
国际钢铁协会汽车钢联盟在1994年开展
的ULSAB计划，1997年开展的ULSAC、
ULSAS计划和1998年的ULSAB-AVC计
划，都实现了用先进高强度钢代替普通低碳
钢，在不增加成本的基础上为车身减重。
在我国，2001年奇瑞汽车公司与宝钢的
合作，实现了在试制样车上使用46%的高强
度钢板，对减重起到了很大的作用。2003年，
重汽将高强度钢广泛应用于车架的轻量化发
展，成功研制了高强度钢单层梁车架，并实
现量产。
高强度钢由于其优秀的强度非常适合用
于汽车车身结构的制造。图3展示了高强度
钢在车身上的应用细节，如汽车的被动安全
系统部件，包括侧门防撞钢梁、安全杆和保
险杠系统可以使用超高强度钢，而车顶较少
承受撞击，则可以使用高强度钢。
。此外，随着镁合金回收再利用技术的发展
以及环保要求的提高，镁在汽车领域的发展
形势值得被特殊关注。
3.1.3 钛合金的应用
钛有三大优点，分别是“轻”、“高强”、
“不锈”。作为轻金属材料在汽车行业受到
很多研究者的关注
[8]
。
全钛汽车最早是由美国通用公司在
1956年研发成功的“火鸟Ⅱ”型汽车，但
由于钛及钛合金价格昂贵，所以在汽车领
域的应用一直受限。20世纪50年代日本开
始研制钛及钛合金的汽车零件，20世纪60
年代，钛被应用于赛车发动机，直到20世
纪末钛及钛合金才随着豪华轿车的发展得
到大量应用
[16]
，之后随着低成本钛合金的
出现和发展，钛合金开始广泛应用于普通
汽车的制造中。
有研究证实，20kg的钢制汽车动力阀零
件与0.8kg的钛合金零件具有相同的效果，
但其质量减低了96%。用钛合金制作汽车发
动机气门可以减重30%～40%并提高最高转
速
[7]
。对于减震系统，有研究表明用钛合金弹
簧完全代替原来的钢弹簧在诸多方面来说都
是可行的，可使重量减轻43.3%。
钛及钛合金在排气系统中比较常用，用
钛制消音器代替不锈钢消音器可以减重40%
左右，雪佛兰克尔维特Z06成功实现此替代，
保证在系统强度不变的情况下，使质量更轻，
车速更快且节约燃料
[7]
。还有研究表明，若将
某1500kg的中型轿车中所有传统零件替换成
钛合金零件，整车质量将减少500kg左右，
这也就可以大幅降低油耗。
目前我国已拥有生产钛及钛合金的能
力，但由于钛合金价格高，对工艺参数敏感，
所以钛合金在汽车零部件中的应用一直受
到限制。钛合金流动性差，铸件中易形成
铸造缺陷，因此对钛合金铸造、加工所需
设备和条件的要求较高，这是钛合金零部
件不受汽车厂商青睐的重要原因之一。随
着我国科技水平的迅速提升，钛及钛合金
的研发饱受关注，必使钛合金朝着低成本，
高质量发展。而且柳宝元
[9]
通过实验证明，
图3 新一代高强度钢在车身上的应用
[3]
超高
高
钢的强度等级
高强度钢作为目前汽车的主要轻量化材
料，其强塑积（强度与塑性的乘积）不能完
美配合，是所面临的一大难题，强度越高，
塑韧性越差，当抗拉强度超过1400MPa时，
高强度钢极易发生疲劳破坏
[10]
。2010年，我
国成功研发第3代先进汽车用钢，主要包括
Q&P钢、中Mn-TRIP钢以及无碳化物贝氏
体钢，相比于前两代汽车钢，第3代汽车钢
具有高强度、轻量化、低成本的优点，而且
在塑性和韧性方面均有一定的提升
[11]
，从而
受到诸多关注，目前我对国第3代汽车用高
强度钢的研究处于世界前列。
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时代汽车
高强度钢与镁合金、钛合金应用中高成
本的困扰不同，高强度钢面临的问题是具有
高强塑积的汽车钢板新材料、新工艺的研发，
以及在高强钢加工过程中的问题，如回弹。
回弹量随初始屈服强度的增大而增大，这将
影响高强度钢的成形质量，增加加工难度。
为克服回弹现象，保证汽车车身及零部件形
状精度，还需要不断进行回弹控制技术的研
究
[12]
。
3.3 塑料和复合材料的应用
汽车塑料化是当今汽车制造的一大趋势。
车用塑料质量轻、强度高，只有普通钢材重
量的15%～20%，比木材更轻，对汽车轻量
化有极大的促进作用。
20世纪70年代，塑料使用量占汽车总质
量的比例为2%～3%，到20世纪90年代提
升至7%～9%。2007年，一款由法国研发人
员研发的名为“欢乐敞篷”的全塑料汽车在
英国上市，整车只有370kg，仅为普通汽车
的三分之一。不久前日本的旭化成公司新开
发了一种聚酰胺泡沫塑料，这种泡沫塑料具
有极好的耐热性、耐油性、刚性和降噪质量，
在汽车的内饰、车顶、发动机、座椅和地板
结构中都可以应用，在减重降噪方面有很好
的效果。
复合材料具有比强度和比模量高、密度
小，质量轻、强度高、安全等级高等优点，
是汽车轻量化的理想材料。碳纤维复合材料
可以使车身、底盘减重50%以上。用碳纤
维复合材料所制的板簧与传统材料相比减重
76%，使用碳纤维发动机罩可使发动机减重
6kg以上
[13]
。以宝马i8车身结构为例，它在
车身底盘（Drive）采用的是金属结构，但在
乘员舱（Life）使用了CFRP碳纤维增强复
合材料，兼顾了强度与轻量化。
目前碳纤维复合材料的应用面临两大障
碍，其一是制造成本，例如以碳纤维为框架
的座椅成本是钢材框架的6倍之高，使其无
法大量应用于汽车；其二是时间成本，用钢
只需1分钟的就能制造完成的零件用碳纤维
需要5分钟，若进行大量生产耗费的时间则
会成倍增长，这无疑又增加了碳纤维复合材
料的应用难度。
从2017年发布的《节能与新能源汽车技
术路线图》的要求来看，到2030年，碳纤维
的使用量要达到汽车总重的5%，并且碳纤维
的成本也需要大幅度降低。
3.4 精细陶瓷的应用
精细陶瓷也是当前很重要的一大类材料。
它具有高强度、高硬度、耐腐蚀等特点，以
及在磁、电、光、声各方面的特殊功能，目
前应用于汽车上多种零部件，如陶瓷轴承、
陶瓷发动机、陶瓷净化器载体、陶瓷刹车片
和陶瓷继电器等
[14]
。
58-61.
[5]王岁红.铝材在汽车制造技术中的应用[J].
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[6]范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技
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4 结论
汽车轻量化的材料随着科技的进步呈
现出多元化的发展趋势，在质量、强度和
刚度要求不断提高的前提下汽车轻量化的
道路充满机遇和挑战。轻量化材料在汽车
上的使用会趋向于通过多种材料的组合来
弥补使用单一材料带来的缺陷。改善材料
的性能，降低材料的成本以及提高材料的
回收利用率必将为各种汽车轻量化材料的
发展提供无限可能。
参考文献:
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[4]韩光杰，付宏程，潘盼，付强.汽车铝导
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作者简介
李
洺
君： (1999.06.07—），女，汉族，河北省迁
安市人，学历：本科；学校：华北理工
大学。研究方向：汽车先进设计与制造。
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