汽车想减重又提性能？这些轻量化材料或成未来 “主角” -山东化工网

汽车想减重又提性能？这些轻量化材料或成未来 “主角”

文章来源：贤集网更新时间：2025-03-24 16:01:18

在汽车行业蓬勃发展的当下，轻量化已然成为一股不可阻挡的潮流。以小米新车 SU7 Ultra 为例，其全系标配 24K 金碳纤维车标，全车多达 21 处可选碳纤维部件。1.7 平方米的超大面积碳纤维车顶，带来 11 公斤的减重，满配状态下 21 处碳纤维部件总使用面积达 5.5 平方米，使整车重量仅 1900 公斤。大量碳纤维的运用，不仅显著减轻车身重量，更提升了车身刚性与安全性能，完美诠释了轻量化与高性能的融合。这一现象背后，是整个汽车行业对轻量化的深度探索与实践，而轻量化材料则是这场变革的核心驱动力。

在汽车领域，轻量化对于降低能耗、减少碳排放意义重大。研究表明，轻量化材料每替代 10% 的金属材料，车辆整体重量可降低 5%。这一变化能够有效缩短惯性带来的制动距离，显著提升车辆的驾驶安全性、操作性能以及加速性能，同时减少车辆排放。据相关数据显示，汽车整车质量每减少 10%，燃油车的燃油消耗可降低 6% - 8%。

当前，汽车轻量化材料，如高强度钢、轻质合金及高分子复合材料，在汽车制造中的占比为 10% - 15%。其中，“以塑代钢” 的轻量化高分子复合材料，因密度低、性能优异、加工简便且可回收等特性，受到业界的高度关注，成为汽车零部件行业升级的关键方向。

特别是在轻量化新能源汽车领域，碳纤维复合材料凭借无与伦比的比强度和比模量，在碰撞时能减少碎片产生，大幅提高汽车安全性。其密度远低于钢和铝，应用于车身及零部件设计，可降低整车质量 40% - 60%，降低燃油消耗，显著提升高速行驶稳定性。

丰富多元的轻量化材料家族

高强度钢：强度与减重的平衡

高强度钢涵盖抗拉强度在 270 - 700MPa 的汽车用钢，以及抗拉强度超 700MPa 的超高强度钢。相较于低强度钢，其制成的汽车零部件厚度更薄，有助于减小整车质量。1994 年，国际钢铁协会开展超轻质钢车身项目，大量采用高强度钢，所研制的超轻质车身质量仅为同级别汽车车身质量的 75%，且车身结构性能大幅提升，扭转刚度与弯曲刚度分别提高 80% 和 52%。

随着高强度钢材料的不断发展，汽车车身结构与制造工艺持续改进，如今已实现 100% 使用高强度钢板制造车身，以双向钢等新型材料为主要制造材料，先进高强度钢板占比超 80%。例如，一汽集团使用宝钢研发的 340MPa 高强度 F 钢板制造车门板、两侧翼子板等零部件；神龙汽车有限公司利用高强度钢板加工车门铰链固定板、发动机支架等。

不过，高强度钢延伸率较低，强度与延伸率呈反比，加工成型时易出现断裂问题。为此，新一代高强度汽车用钢提高了材料的延伸率与伸长率，研发出李晶诱导塑性钢、具备诱导塑性特征的轻量化钢，以及由淬火、退火工艺制成的低合金钢等。

铝合金材料：铸造与变形的多样应用

铝合金材料密度低，强度不低于优质钢料，能充分满足现代汽车制造需求。当前主要分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金熔点低、流动性好，通过重力铸造及压力铸造方式，可快速成型复杂形状零部件，常用于制造发动机、传动机构等汽车零部件。

变形铝合金强度高、塑性好，用于制造汽车结构件、散热系统及装饰件。目前，铸造铝合金应用更为广泛，制造工艺也更为成熟。以铝合金杆件为例，主要使用 2000AI.Cu 系列铝合金，通过挤压模具制造，在构件形状和尺寸不变的情况下，铝合金杆件质量远小于钢质杆件。

镁合金材料：优势与挑战并存

镁合金材料具有密度小、质量小和吸振性能强的显著优势，其密度仅为铝材料密度的 2/3。目前主要采用铸造工艺，用于制造汽车的仪表盘、转向结构、座椅等部件。国内外汽车公司正积极提高镁合金在车身、发动机、传动系统、车轮及行走系统中的用量比重，其中在车身结构中的用量比例相对最高，已超 30%。

然而，镁合金耐腐蚀性较差，用于制造发动机支架、车轮等部件时，易出现电腐蚀与化学腐蚀问题，缩短部件使用寿命。因此，开发耐腐蚀、高韧性与耐疲劳性的新型镁合金材料迫在眉睫，以拓展其应用范围，满足汽车底盘、动力单元发动机缸体等复杂工况零部件的制造加工需求。

碳纤维复合材料：高性能的代表

碳纤维复合材料综合力学性能卓越，比强度、比吸能与比模量处于高位，且密度较低。在相同刚度与强度条件下，其质量不足低碳钢结构的 50%，不足镁合金、铝合金结构的 70%，同时零部件使用寿命大幅增加。

例如，ARRK 公司研制的由碳纤维增强热塑性材料制造的复合变速箱壳体，质量不足早期型号铝合金壳体的 70%；奥迪公司在 2018 年展出的 A8 轿车，使用新型碳纤维增强塑料后围结构，减重比例超 50%。不过，碳纤维复合材料成本高、制造工艺复杂，当前需改进材料制备工艺、简化零部件制造工序，以提高其在整车材料中的占比。

中国石化：汽车轻量化材料的创新先锋

碳纤维技术的重大突破

碳纤维凭借轻质高强、耐高温、耐腐蚀等特性，成为高端汽车轻量化设计的核心材料。它由聚丙烯腈（或沥青、黏胶）等有机纤维在高温环境下裂解碳化形成，含碳量高于 90%，是目前量产高性能纤维中比强度和比模量最高的纤维。

当碳纤维丝束规格达到或超过 48K，单丝数量超过 48000 根，即为大丝束碳纤维，包括 48K、60K、80K 等，主要应用于工业、机电、土木建筑、交通运输和能源等领域。

汽车上使用的正是大丝束碳纤维，其性能优越，被誉为 “新材料之王”“黑黄金”。中国石化上海石化研发生产的大丝束碳纤维，含碳量在 95% 以上，力学性能优异，比重不到钢的四分之一，强度却是钢的 7 至 9 倍，且具有耐腐蚀特性。2022 年 10 月 10 日，中国石化自主研发的 48K 大丝束速碳纤维成功投产，标志着大丝束碳纤维从关键技术突破、工业试生产、产业化，迈向规模化和关键装备国产化。

油箱专用料打破行业垄断

出于汽车轻量化需求，越来越多汽车零部件由金属件改为塑料件。汽车燃油箱作为事关安全的重要部件，产业门槛极高。HDPE 汽车油箱料是汽车轻量化发展的重要创新应用，具有耐环境应力开裂优异、刚韧平衡性能突出、熔体强度高和加工性能好等特点，得到全球多家知名汽车零部件供应商的认可。

2009 年，茂名石化开发的汽车油箱专用料 HXB4505N，打破了进口牌号数十年来在该领域的垄断。茂名石化研究院的岑静芸承担起中石化重点科技项目 “汽车燃油箱用高密度聚乙烯专用料的开发”，带领团队长年奔走于国内外各大汽车主机厂及油箱厂。

历经 5 该产品于 2015 年被国际燃油箱龙头企业德国考泰斯正式采购，现已应用于长安福特品牌汽车燃油箱，不仅是国内首个商业化的 HDPE 汽车燃油箱专用料，还是国内唯一进入跨国企业供应链的同类产品。2017 年，该产品正式通过了日本本田及八千代的材料准入测试，连续两年产销量突破万吨。

橡胶产品助力汽车节能安全

汽车轮胎材料的选用至关重要。使用绿色轮胎不仅能提高车辆安全性，还能使轮胎滚动阻力降低 20% 以上，轿车可节油 3% - 5%，载重车可节油 6% - 8%。中国石化的橡胶产品为汽车轻量化提供了新方案。铁系梳枝丁戊橡胶作为生产高性能轮胎的关键原料，主要用于制造高性能轮胎胎面胶。

其特殊的 “微观毛刷式” 结构，赋予材料高强度、高抗湿滑性、高阻尼等性能，可大幅缩短汽车刹车制动距离，提高交通工具安全性，减少油耗，增加续航里程。截至目前，中国石化生产的相关原料产品已在超 100 余家汽车零部件及整车企业中，生产出前端框架、汽车油箱、碳纤维轮毂、门内护板、轮胎气密层等 40 余种汽车制件。

依托在三大合成材料的产业和技术优势，中国石化开发出涉及 9 种 35 个牌号的合成材料成套工业生产技术、6 类复合材料制备技术，总体技术处于世界先进水平。

汽车轻量化材料的不断创新与应用，正在重塑汽车行业的发展格局。从高强度钢到铝合金、镁合金，再到碳纤维复合材料，以及中国石化在材料研发上的卓越贡献，每一种材料都在为汽车的轻量化、高性能与安全性提供支撑。

随着技术的不断进步，汽车轻量化材料将在降低能耗、减少排放、提升驾驶体验等方面发挥更为重要的作用，推动汽车行业朝着绿色、高效、智能的方向持续发展。未来，我们有理由期待更多新型轻量化材料的出现，为汽车行业带来更多惊喜与变革。

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