再論輕量化：尋找最有“材”的汽車

目前，輕量級技術主要有兩個方向。一是在所用材料不變的情況下，對汽車結構和材料加工工藝進行優化設計；

一種是尋找能夠滿足使用要求的更輕的材料。

在新材料的使用方面，喬治·費舍爾集團總裁兼首席執行官伊夫·塞拉提出了一種基于規模經濟的新材料選擇策略。判斷任何材料能否成為汽車輕量化主流材料的最終標準是能否以可承受的成本大規模生產。

正是這個標準限制了一些在輕量化方面具有巨大潛力的材料的應用。然而，面對困難是汽車工程師的良好素質之一。不僅如此，這兩種材料已經突破了之前的限制，朝著大規模生產的目標又邁出了一大步。

最后一種輕金屬鎂

這個副標題是從日經科技在線借來的。在為本文準備材料時，作者看到了日經科技在線的相關文章，有意識地想不出比這更合適的形容詞了。

更高強度的鋼、鋁甚至碳纖維都是人們現在熟悉的輕質材料。有些人應該記住初中時背誦的元素周期表。在自然界中，鎂比鋁輕，而在此之前的三種金屬元素鋰、鈹和鈉，由于其強度和化學活性，在其他領域的光和熱中發揮作用，也將是鎂和鋁合金的一種成分，但它們從來都不是主要成分。因此，用“最后一種輕金屬”來描述鎂更為合適。

鎂的重量僅為鋼的四分之一，鋁的三分之二。相反，就成本而言，鎂比鋼多四分之三，比鋁多三分之一。此外，鎂是易燃的，其制造工藝不太環保，加工和成型也非常困難。

因此，鎂不僅占據著天然的優勢，也有著天然的劣勢。這些缺點使其遠未達到“以可承受的成本大規模生產”的標準，因此其受歡迎程度非常有限。

然而，需求決定一切。看到輕量化在節能減排方面的巨大潛力，以及鋁合金不再能滿足日益不正常的規定，汽車制造商將注意力轉向了鎂，并得到了政府的大力支持。

據Ward Auto介紹，美國能源部高級研究計劃署已經為汽車輕量化技術提供了3200萬美元的資金，主要研發方向是鎂的使用。

目前，世界上使用的大部分鎂都是從中國出口的。對于美國、德國和日本等汽車行業巨頭來說，由于進口稅的存在，鎂的價格進一步上漲。鎂在中國是通過燃燒煤炭來提取的，這對環境非常嚴重。猶他州是美國生產鎂最多的州，它通過電解大鹽湖中的熔鹽來提取鎂，這在制造過程中消耗了大量能源。

因此，如何使鎂的提取過程不再給環境和能源帶來負擔，是汽車制造商面臨的一個關鍵問題。在美國能源部提供的3200萬美元中，有一筆特別基金用于太平洋國家實驗室（PNNL）研究是否可以從海水中提取鎂。根據PNNL的估計，從海水中提取鎂所需的能量遠低于電解熔鹽所需的能源。如果研究成功，生產效率將提高50%。

美國科羅拉多大學也設計了一種新的提取方法，利用太陽能來替代部分能源供應。

日本和韓國在鎂的研發方面也取得了革命性的進展。據日經科技在線報道，日本開發了KUMADAI不燃鎂合金，不僅解決了鎂的可燃性問題，而且在加工方法上也取得了進展。韓國政府計劃在8年內投入約14億元人民幣用于相關研究，并建立了鎂板的大規模生產體系。

技術趨勢表明，鎂與低成本大規模生產之間的距離越來越小。那么，當鎂合金以低成本成功大規模生產時，它們能有什么應用？

鎂合金汽車結構件

事實上，它是非常廣泛的。事實上，在汽車制造商的計劃中，到2020年，平均有16家……

千克的鎂合金將用于車身結構，約占車身總重量的十分之一，主要用于行李箱面板或座椅框架。目前，一些車型已經開始使用鎂合金，如大眾的XL1、加強梁和碰撞能量吸收結構，寶馬也在其部分發動機車型上使用了鎂合金。特別地，在燃料電池中，鎂也可以用作儲存和運輸氫氣的材料。

鎂要廣泛應用于汽車結構件中，除了成本和加工問題外，還需要解決韌性低、易斷裂的問題。福特和其他汽車制造商已經開始在這一領域進行研究。福特認為，如果鎂能廣泛應用于車身結構中，至少可以使車輛重量減輕20%。

在可預見的未來，鎂在成本上可能永遠不會像鋼那樣具有競爭力。這意味著，豪華車、跑車和高端SUV是未來最有可能看到鎂應用的車型。對于這些車型來說，價格從來都不是問題。此外，由于重量輕，它們將在操控性、舒適性、動力性能和燃油效率方面得到提高，并更好地實現其名稱。

植物纖維與聚合物的結合

另一種重要的輕質材料是碳纖維。經過十多年的技術研究，寶馬利用可再生能源和更方便的方法加工制造碳纖維，成為第一家在量產車型中大規模使用碳纖維的汽車制造商。然而，即便如此，碳纖維仍然是土豪們的專屬材料。大多數汽車制造商仍然將他們的想法放在其他復合材料上。

福特與林產品和紙制品供應商惠好和汽車零部件供應商johnson controls有一個為期三年的合作項目：以從木材中提取的植物纖維為基礎，創造一種可再生材料，可以取代目前汽車零部件上的玻璃纖維。現在，這項研究已經有了結果。

在2014款林肯MKX上，這種新材料將用于制作中控臺的地板材料。這種新材料被稱為纖維素增強聚丙烯（以下簡稱CRP），是一種植物纖維和聚丙烯的復合材料。

CRF制成的面板重量輕6%，其成功開發減少了行業對不太環保的玻璃纖維的依賴。福特汽車塑料技術專家Ellen Lee博士認為，盡管CRF材料在汽車中的應用目前只是很小的一部分，但它具有大規模使用的潛力。有關詳細信息，我們可以參考福特工程師對大豆基泡沫的成功研發和使用。起初，它是小規模的，但隨著材料財產的提高，它最終成為室內裝飾的重要材料之一。

與大豆基泡沫塑料不同，CRP材料不僅可以用于內部，還可以用于車身結構。Lee博士總結了CRP材料未來可能的應用范圍：

1.在發動機罩下，可以通過吹塑成型制成電池的保護殼和支架、進氣系統中的儲氣罐、瓦斯油過濾器和其他瓶瓶罐的支架、冷卻風扇的蓋子；

2.備胎固定裝置安裝總成、墊圈或保險杠支撐結構、輪罩；

3.車廂內密封條的載體、放電鏈的絕緣環和電纜的外罩；

4.車內，車門、中央扶手和中控臺總成、車頂、空調出風口擋板、座椅靠背和座椅骨架、制動和油門踏板、手套箱等。

組件越大，其帶來的輕量化效果就越明顯。

在與惠好的合作中，福特發現基于植物纖維的復合材料可以很好地滿足汽車制造商對材料在剛性、壽命、耐熱性和氣味等方面的迫切需求。除了減輕重量外，與玻璃纖維相比，CRP制成的組件的制造速度還可以提高20%-40%，制造過程中消耗的能源也減少了。這些在重量和制造工藝上的節省可以等同于降低制造成本。

在研發過程中，困擾福特工程師的問題之一是材料的外觀。在CRP材料的外表面，可以看到一些小的凸起顆粒。盡管這些顆粒不會影響材料的財產，但這并不是林肯的客戶想要看到的。因此，CRP制成的第一個成品是車身地板，然后用泡沫塑料和蓋板覆蓋。當然，這個問題在下一代產品中已經得到了改善。

惠好公司對CRP有一個不同的名字。他們稱之為THRIVE復合材料。在惠浩看來，CRP只是合成植物纖維和聚丙烯的產物。選擇聚丙烯是因為它們的溶液流動指數非常接近，并且更容易合成。然而，植物纖維與許多不同種類的聚合物非常相容。惠好的下一個計劃是將聚丙烯的成分擴展到一系列碳氫化合物或非碳氫化合物聚合物。這樣，這種復合材料的應用將被推廣到其他行業和市場。

為了改善材料的不同財產，匯浩與福特在兩種材料的合成比例上有所不同。發現這一點后，福特將在內飾部件方面具有較強專業能力的johnson controls引入了合作團隊。

CRP中的植物纖維是從木漿中提取的，與i3中使用的玻璃纖維或大麻纖維、紅麻纖維等天然纖維相比，具有無與倫比的優勢。

植物纖維、玻璃纖維和天然纖維的優勢比較

目前，福特公司使用的CRP中植物纖維的比例為20%，福特公司也在探索20%和40%比例的聚合物的其他應用。

從目前的技術發展來看，鎂和CRP都沒有達到伊夫·塞拉的規模經濟標準，這些技術突破和進步不足以將其成本降低到可承受的范圍。這些實質性進展更重要的意義是為后續研究指明了明確的方向。冰凍三尺非一日之寒，技術不可能一步到位，但只要節能環保的旗幟不落下，汽車制造商對終極性能的追求沒有熄滅，總有一天會實現。目前，輕量級技術主要有兩個方向。一是在所用材料不變的情況下，對汽車結構和材料加工工藝進行優化設計；

一種是尋找能夠滿足使用要求的更輕的材料。

在新材料的使用方面，喬治·費舍爾集團總裁兼首席執行官伊夫·塞拉提出了一種基于規模經濟的新材料選擇策略。判斷任何材料能否成為汽車輕量化主流材料的最終標準是能否以可承受的成本大規模生產。

正是這個標準限制了一些在輕量化方面具有巨大潛力的材料的應用。然而，面對困難是汽車工程師的良好素質之一。不僅如此，這兩種材料已經突破了之前的限制，朝著大規模生產的目標又邁出了一大步。

最后一種輕金屬鎂

這個副標題是從日經科技在線借來的。在為本文準備材料時，作者看到了日經科技在線的相關文章，有意識地想不出比這更合適的形容詞了。

更高強度的鋼、鋁甚至碳纖維都是人們現在熟悉的輕質材料。有些人應該記住初中時背誦的元素周期表。在自然界中，鎂比鋁輕，而在此之前的三種金屬元素鋰、鈹和鈉，由于其強度和化學活性，在其他領域的光和熱中發揮作用，也將是鎂和鋁合金的一種成分，但它們從來都不是主要成分。因此，用“最后一種輕金屬”來描述鎂更為合適。

鎂的重量僅為鋼的四分之一，鋁的三分之二。相反，就成本而言，鎂比鋼多四分之三，比鋁多三分之一。此外，鎂是易燃的，其制造工藝不太環保，加工和成型也非常困難。

因此，鎂不僅占據著天然的優勢，也有著天然的劣勢。這些缺點使其遠未達到“以可承受的成本大規模生產”的標準，因此其受歡迎程度非常有限。

然而，需求決定一切。看到輕量化在節能減排方面的巨大潛力，以及鋁合金不再能滿足日益不正常的規定，汽車制造商將注意力轉向了鎂，并得到了政府的大力支持。

據Ward Auto介紹，美國能源部高級研究計劃署已經為汽車輕量化技術提供了3200萬美元的資金，主要研發方向是鎂的使用。

目前，世界上使用的大部分鎂都是從中國出口的。對于美國、德國和日本等汽車行業巨頭來說，由于進口稅的存在，鎂的價格進一步上漲。鎂在中國是通過燃燒煤炭來提取的，這對環境非常嚴重。猶他州是美國生產鎂最多的州，它通過電解大鹽湖中的熔鹽來提取鎂，這在制造過程中消耗了大量能源。

因此，如何使鎂的提取過程不再給環境和能源帶來負擔，是汽車制造商面臨的一個關鍵問題。在美國能源部提供的3200萬美元中，有一筆特別基金用于太平洋國家實驗室（PNNL）研究是否可以從海水中提取鎂。根據PNNL的估計，從海水中提取鎂所需的能量遠低于電解熔鹽所需的能源。如果研究成功，生產效率將提高50%。

美國科羅拉多大學也設計了一種新的提取方法，利用太陽能來替代部分能源供應。

日本和韓國在鎂的研發方面也取得了革命性的進展。據日經科技在線報道，日本開發了KUMADAI不燃鎂合金，不僅解決了鎂的可燃性問題，而且在加工方法上也取得了進展。韓國政府計劃在8年內投入約14億元人民幣用于相關研究，并建立了鎂板的大規模生產體系。

技術趨勢表明，鎂與低成本大規模生產之間的距離越來越小。那么，當鎂合金以低成本成功大規模生產時，它們能有什么應用？

鎂合金汽車結構件

事實上，它是非常廣泛的。事實上，在汽車制造商的計劃中，到2020年，平均有16家……

千克的鎂合金將用于車身結構，約占車身總重量的十分之一，主要用于行李箱面板或座椅框架。目前，一些車型已經開始使用鎂合金，如大眾的XL1、加強梁和碰撞能量吸收結構，寶馬也在其部分發動機車型上使用了鎂合金。特別地，在燃料電池中，鎂也可以用作儲存和運輸氫氣的材料。

鎂要廣泛應用于汽車結構件中，除了成本和加工問題外，還需要解決韌性低、易斷裂的問題。福特和其他汽車制造商已經開始在這一領域進行研究。福特認為，如果鎂能廣泛應用于車身結構中，至少可以使車輛重量減輕20%。

在可預見的未來，鎂在成本上可能永遠不會像鋼那樣具有競爭力。這意味著，豪華車、跑車和高端SUV是未來最有可能看到鎂應用的車型。對于這些車型來說，價格從來都不是問題。此外，由于重量輕，它們將在操控性、舒適性、動力性能和燃油效率方面得到提高，并更好地實現其名稱。

植物纖維與聚合物的結合

另一種重要的輕質材料是碳纖維。經過十多年的技術研究，寶馬利用可再生能源和更方便的方法加工制造碳纖維，成為第一家在量產車型中大規模使用碳纖維的汽車制造商。然而，即便如此，碳纖維仍然是土豪們的專屬材料。大多數汽車制造商仍然將他們的想法放在其他復合材料上。

福特與林產品和紙制品供應商惠好和汽車零部件供應商johnson controls有一個為期三年的合作項目：以從木材中提取的植物纖維為基礎，創造一種可再生材料，可以取代目前汽車零部件上的玻璃纖維。現在，這項研究已經有了結果。

在2014款林肯MKX上，這種新材料將用于制作中控臺的地板材料。這種新材料被稱為纖維素增強聚丙烯（以下簡稱CRP），是一種植物纖維和聚丙烯的復合材料。

CRF制成的面板重量輕6%，其成功開發減少了行業對不太環保的玻璃纖維的依賴。福特汽車塑料技術專家Ellen Lee博士認為，盡管CRF材料在汽車中的應用目前只是很小的一部分，但它具有大規模使用的潛力。有關詳細信息，我們可以參考福特工程師對大豆基泡沫的成功研發和使用。起初，它是小規模的，但隨著材料財產的提高，它最終成為室內裝飾的重要材料之一。

與大豆基泡沫塑料不同，CRP材料不僅可以用于內部，還可以用于車身結構。Lee博士總結了CRP材料未來可能的應用范圍：

1.在發動機罩下，可以通過吹塑成型制成電池的保護殼和支架、進氣系統中的儲氣罐、瓦斯油過濾器和其他瓶瓶罐的支架、冷卻風扇的蓋子；

2.備胎固定裝置安裝總成、墊圈或保險杠支撐結構、輪罩；

3.車廂內密封條的載體、放電鏈的絕緣環和電纜的外罩；

4.車內，車門、中央扶手和中控臺總成、車頂、空調出風口擋板、座椅靠背和座椅骨架、制動和油門踏板、手套箱等。

組件越大，其帶來的輕量化效果就越明顯。

在與惠好的合作中，福特發現基于植物纖維的復合材料可以很好地滿足汽車制造商對材料在剛性、壽命、耐熱性和氣味等方面的迫切需求。除了減輕重量外，與玻璃纖維相比，CRP制成的組件的制造速度還可以提高20%-40%，制造過程中消耗的能源也減少了。這些在重量和制造工藝上的節省可以等同于降低制造成本。

在研發過程中，困擾福特工程師的問題之一是材料的外觀。在CRP材料的外表面，可以看到一些小的凸起顆粒。盡管這些顆粒不會影響材料的財產，但這并不是林肯的客戶想要看到的。因此，CRP制成的第一個成品是車身地板，然后用泡沫塑料和蓋板覆蓋。當然，這個問題在下一代產品中已經得到了改善。

惠好公司對CRP有一個不同的名字。他們稱之為THRIVE復合材料。在惠浩看來，CRP只是合成植物纖維和聚丙烯的產物。選擇聚丙烯是因為它們的溶液流動指數非常接近，并且更容易合成。然而，植物纖維與許多不同種類的聚合物非常相容。惠好的下一個計劃是將聚丙烯的成分擴展到一系列碳氫化合物或非碳氫化合物聚合物。這樣，這種復合材料的應用將被推廣到其他行業和市場。

為了改善材料的不同財產，匯浩與福特在兩種材料的合成比例上有所不同。發現這一點后，福特將在內飾部件方面具有較強專業能力的johnson controls引入了合作團隊。

CRP中的植物纖維是從木漿中提取的，與i3中使用的玻璃纖維或大麻纖維、紅麻纖維等天然纖維相比，具有無與倫比的優勢。

植物纖維、玻璃纖維和天然纖維的優勢比較

目前，福特公司使用的CRP中植物纖維的比例為20%，福特公司也在探索20%和40%比例的聚合物的其他應用。

從目前的技術發展來看，鎂和CRP都沒有達到伊夫·塞拉的規模經濟標準，這些技術突破和進步不足以將其成本降低到可承受的范圍。這些實質性進展更重要的意義是為后續研究指明了明確的方向。冰凍三尺非一日之寒，技術不可能一步到位，但只要節能環保的旗幟不落下，汽車制造商對終極性能的追求沒有熄滅，總有一天會實現。

標簽：福特寶馬林肯發現大眾

汽車資訊熱門資訊