【原创】新能源汽车持续火爆,这些材料助力汽车轻量化发展


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  中国汽车工业协会发布数据显示,10月份,新能源汽车产销分别达到39.7万辆和38.3万辆,同比均增长1.3倍。

中国粉体网讯  2021年10月,我国宏观经济运行总体稳定,但国内外环境依然复杂严峻。据中国汽车工业协会统计分析,汽车行业努力克服电力供应紧张、原材料价格高位运行等诸多不利因素影响,以及车规级芯片供应形势稍好于三季度,汽车产销继续呈现恢复态势,总体形势有好转迹象。


 

图片来源:Pexels


国产新能源汽车迎来爆发式增长


中国汽车工业协会发布数据显示,10月份,新能源汽车产销分别达到39.7万辆和38.3万辆,同比均增长1.3倍。1-10月,新能源汽车产销分别达到256.6万辆和254.2万辆,同比均增长1.8倍。同时,汽车零部件市场规模持续提升,细分领域众多。我国汽车零部件市场规模从2016年3.46万亿元增长至2020年的4.57万亿元,年均复合增长率达7.2%;预计2021年市场规模将达到4.9万亿元。

 

(数据来源:中国汽车工业协会)


新能源汽车发展趋势——轻量化


新能源汽车采用了不同于传统汽车的动力系统,包括电池组、发动机、电力控制系统等,其动力系统通常占整车总质量的30%~40%,显著高于传统燃油车动力系统质量和空间占比,因此其对轻量化技术的应用更为迫切。


目前汽车轻量化主要可通过采用形状轻量化(如采用发泡材料型芯的三明治结构)、材料轻量化(如纤维复合材料和铝、镁合金材料)、制造轻量化(如内高压成形和整体构造成形)、设计轻量化(如结构虚拟仿真模拟分析)、功能轻量化(如功能集成和优化)综合运用来实现。


 汽车轻量化的意义


新能源汽车与传统汽车不同,是采用新能源作为动力来驱动汽车运行,其受动力电池重量、动力电池续航里程的制约以及汽车节能减排政策的限制,在车辆设计和材料应用上,其车体轻量化成为车企首先要考虑的问题,在一些部件采用铝材成为新能源汽车制造企业的首要选择。


研究表明,约75%的油耗与整车重量有关,降低汽车重量就可有效降低油耗及排放。下表列出了汽车轻量化后对降低燃油及排放的作用。从下表可以看出,汽车重量每下降10%,油耗下降8%,排放降低4%。


汽车轻量化对降低燃油及排放的作用

 


轻量化材料对汽车的发展起着重要的作用,同时也使新能源汽车朝更高性能的方向发展。


新能源汽车轻量化材料的发展现状


在未来汽车轻量化材料的解决方案中,更倾向于多种材料的组合,以充分利用各种材料的优势。基于材料基本特性、制造工艺要求和新能源汽车整体性能要求,将合适的材料用于车身上合适的部位,是新能源汽车选材的首要目标。


目前,新能源汽车轻量化材料主要包括超高强钢、铝合金、镁合金、纤维和塑料等,使用最广泛的是钢材和铝材。世界汽车钢联盟总结了汽车轻量化用材的4种策略:以钢为主;钢铝混合;以铝为主;以碳纤维为主。


(1)高强/超高强汽车用钢


相对于铝、镁和碳纤维等材料而言,钢材在原材料、生产、回收与循环再利用等阶段都比较环保,并且随着氢能冶炼、电炉生产、余热回收等绿色技术的推广和应用,钢铁材料全生命周期碳排放会继续降低。另外,材料成本也是选材的重要考虑因素之一,相对于铝、镁以及碳纤维来说,目前钢的成本仍然具备很强优势。


针对汽车轻量化用材,钢铁行业实施了高强、高韧性的发展策略,经过二十余年的发展,成功开发了高强/超高强汽车用钢,满足汽车行业对轻量化、安全性和低成本的设计要求。


新能源汽车对未来轻量化钢铁材料的需求仍会驱动超高强汽车用钢的品种进一步完善和应用技术的发展。未来需要进一步扩大应用比例的超高强钢品种主要包括:1180MPa双相钢、马氏体钢、2000MPa热成形钢、Q&P钢等。需要从实验室走向工业化生产的超高强钢汽车板品种主要包括:高铝高弹性模量低密度钢、纳米高强度钢等。限制超高强钢应用的技术主要包括:氢致开裂、失效模型、回弹控制技术等。


(2)铝合金


铝合金密度小、耐蚀性好、塑性优良,从生产成本、零件质量、材料利用、制造技术、机械性能、可持续发展等方面具有其他轻量化材料无可比拟的优越性,因此铝合金将成为汽车工业中的首选轻量化材料。


汽车用铝合金主要包括轧制材、挤压材、锻造材、铸造铝合金。新能源汽车用铝合金的部件主要有车身、车轮、底盘、防撞梁、地板、动力电池和座椅。


 

新能源汽车结构件可用铝合金的部位(图片来源:轻合金加工技术)


(3)镁合金


镁合金是当前新能源汽车应用中密度最低的金属材料,比强度高、比刚度高、抗冲击性和阻尼减震性好,是轻量化效果最好的金属材料。然而,镁合金易燃烧、高温蠕变性能和抗腐蚀性能差,同时镁合金在应用时需要解决与铝合金、钢等异种材料的连接问题,且采用机械连接常出现疲劳失效、高温失效和电偶失效。镁合金强度和韧性均比钢材差(强度206~248MPa,伸长率不足16%),成形性能低于铝合金。此外,原材料和加工制造成本高也是限制镁合金应用的关键因素。


镁合金主要有铸造与变形两种类型。汽车上应用的镁合金主要是压铸件,应用于车身和底盘零件,如仪表盘骨架与横梁、座椅骨架、转向盘、进气歧管以及各种支架、罩盖等。


(4)碳纤维


碳纤维复合材料兼具碳材料和纤维的双重优良特性。现阶段限制碳纤维在新能源汽车上的应用的主要问题是生产成本高、低断裂伸长率(低于4%),以及与高性能钢和铝镁合金等异种材料的连接技术,此外碳纤维材料报废后产生的复合材料垃圾也是面临的重要问题。


碳纤维在汽车上的应用部件主要包括汽车车身、制动器衬片、座椅加热垫、燃料贮罐、传动轴、轮毂等部件。另外还包括汽车底盘、仪表盘、引擎盖、座椅及座椅套垫、导流罩和A柱等部位。


结语


未来新能源汽车将在用户和市场驱动下走技术发展路线,多材料应用的车身轻量化是最核心的技术问题。面向未来,研发汽车各部位材料,将合适的材料用于车身上合适的部位,是使新能源汽车轻量化发展的重点问题。


参考来源:每日经济新闻、发布易、新浪科技等。

【1】熊自柳,等.新能源汽车及其轻量化技术发展现状与趋势.河北冶金.2020.

【2】李龙,等.铝合金在新能源汽车工业的应用现状及展望.轻合金加工技术.2017.

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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