从材料看汽车轻量化趋势

　　一篇日立分析仪器全球产品管理负责人Mikko Järvikivi的文章，阐述了汽车轻量化之路，是从汽车制造商和原材料制造商保证材料质量重要性这个角度来谈的，角度比较专业。大家都知道在当下总结的汽车发展趋势之中，环保是不可避免的话题，而不论对于传统燃油车还是新能源车型，车身轻量化都是必然需求。之前我们听说过合金材料、全铝车身等，未来轻量化在材料方面会有哪些发展趋势？为什么材料的分析对于轻量化非常重要？我觉得汽车从业人员甚至汽车消费者都可以来了解一下，从根本上来认知一下汽车轻量化的发展。

　　在当今的汽车市场环境中，严格的碳排放法规和激烈的竞争共同导致整个汽车供应链的快速变化。研究表明当汽车每减轻100公斤重量时，二氧化碳排放可以减少8.5克/100公里，因此在当下汽车减重仍是当务之急。制造商正在努力从每滴燃油中获取更多收益，而对于EV车型而言，虽然在排放方面有很大优势，但减重也是对车辆续航里程和车辆性能上有很大帮助的。

　　轻量化对于制造商来说，解决方案是通过在整辆车上使用更轻的部件来减轻重量，而无论您使用的是哪种动力技术，使用更轻的材料替代钢材的作用最大。然而，轻量化的发展却给材料分析和质量控制带来了重大挑战。简单介绍一下，材料分析有四种关键技术：激光诱导击穿光谱(LIBS)、光学发射光谱(OES)、热分析(TA)和X射线荧光(XRF)。OES、XRF和LIBS都非常通用，特别是在识别金属和质量检查方面。另一方面，TA研究材料随温度变化的特性。不论什么技术，最终我们考虑技术如何确保材料满足质量要求。

　　变革背后的推动力

　　随着汽车发展对环保要求日益提高。当前旨在减少排放的立法正在推动汽车零部件材料的创新，这些标准变得越来越严格，变革的步伐正在加快。比如为了对抗日益严重的污染，欧洲的排放标准已经变得很严格，根据目前的欧6法规，到2021年，新车的平均二氧化碳排放量最大不得超过95g/km。此外，欧盟设定的二氧化碳减排目标为2025年达到15％和2030年达到37.5％。这导致大多数制造商开发了电动动力总成技术并努力减轻重量。

　　在中国，标准也越来越严格。符合欧洲排放标准的国6a将于2020年7月1日生效，另外国6b也将于2023年生效。该标准将根据WLTP进行验证，目标是将二氧化碳排放量减少90％以上。同样，美国有75％的一氧化碳污染归因于机动车，环境保护署于2020年1月宣布，它正在制定新的规则以减少车辆的排放，并使汽车更轻，以符合全球标准。因此，汽车行业及其供应链需要合作，为该行业提供材料创新，使汽车变得更轻，这是必然要努力的一方面。

　　轻金属的兴起

　　汽车行业对零部件有非常严格的要求。材料安全显然是第一位的，许多部件必须是延展性的，以吸收冲击时的能量，而其他部件必须具有强度，以保持结构刚度。目前的汽车材料中新合金的开发是一门非常精确的科学，对熔体化学进行精确到ppm的分析是避免残留元素的关键，因为残留元素会影响合金的性能，也会影响材料安全。

　　铝镁合金因其重量轻、成本相对较低并具有许多所需的性能而赢得了汽车制造业的青睐。它们可以形成复杂的形状，包括发动机部件、变速箱外壳和结构件。预计到2021年，这些像铝镁合金这样的轻金属零部件的全球市场将以近7%的增长率增长，市场规模将达到480亿美元。

　　轻量化中的铝

　　到2025年，汽车工业将占全部铝消费量的四分之一（3000万吨），而平均每辆车预计将含有近100公斤的铝，以取代较重的部件。同时，新一代的铝锂合金正在出现。它可能成为各种组件不可或缺的组成部分，低密度、低强度、低刚度和抗损伤性。为了提高强度，通常添加锂，而磷和硫则改善了可加工性，但是这些会对耐腐蚀性产生不利影响，因此必须少量添加。

手持LIBS分析仪

　　随着铝的使用量提高，提供有效材料分析的技术也在不断发展，并使制造商能够改善质量控制。分析仪应配备高性能光谱仪，以便能够测量铝合金中的锂，并应能够测量硼铝合金，这是任何手持XRF分析仪都无法测量的。首选是手持LIBS分析仪，而OES提供高水平的分析，鉴定铝中的Li，含量降至0.0005%，以及硼、磷和硫。

　　轻量化中的镁

　　镁比铝轻，是所有结构金属中强度与重量比最高的。它储量丰富，易于回收，在某些部件中已取代钢和铝，并在合金中广泛使用。虽然镁很脆，没有铝的抗蠕变能力，但创新可以解决这个问题。研究人员可以改变镁的微观结构，使其能够在室温下压缩而不开裂，还可以提高镁的能量吸收和延展性。

　　钢铁准备卷土重来

　　许多钢铁制造商正在开发一种超轻钢，这种钢材更坚固、更便宜，而且重量几乎与铝一样轻，以求夺回市场份额。随着2021年新产品有望上市，人们将很难抗拒更强实力和更低成本的诱惑。五年后，车辆使用这种材料很可能比以往任何时候都要多。因此，需要为正确的部件使用正确的材料并验证材料牌号组成，这将是至关重要的。

　　复合材料作为替代方案

采用新型复合材料的丰田概念车

比铝轻30%，比钢轻25%，

使用复合材料是减轻汽车重量

和提高燃油经济性的另一种途径。

它们的耐用性和无需高压工具

即可模制成各种复杂形状的能力

提高了生产效率，降低了成本。

　　未来之路

　　行业创新的步伐给整个汽车供应链带来了至关重要的质量控制挑战，相应地，材料分析领域也在迅速变化。OES、XRF、LIBS、TA等技术的不断发展和应用，使得分析变得更加容易，具有巨大的商业价值潜力。为汽车开发过程的每个阶段选择正确的技术对于确保分析跟上不断变化的监管要求至关重要。持续的创新和发展对于帮助汽车行业应对当前和未来的挑战至关重要。而通过材料分析保证材料的成分和质量，则是从材料从制造方面保证汽车轻量化发展的关键。