汽車輕量化材料發展趨勢

刊登日期:2017/3/5
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全球各地的燃油經濟性法規日趨嚴格,為了改善燃油效率、減少二氧化碳排放量,汽車必須不斷進行減重。車體結構合理化是首要工作,但若要更進一步達成輕量化目標,未來的汽車必須要採用新的製造工法,在車用材料上也要有「更激烈」的轉換,以解決輕量化車輛的需求。未來車用材料的應用,預期可分為三個方向:高強度鋼材、輕質材料(鋁/鎂/超高強度鋼材等)及碳纖維材料。
 
汽車輕量化材料的發展
目前汽車的車體幾乎都是鋼板,一台車上的輕量化材料大概只占三成左右,在材料改變進程上,現階段以高強度鋼及鋁合金的發展較為快速,其他還有陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維複合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer; CFRP)等。根據McKinsey的研究指出,至2030年,一台車上所使用的輕量化材料將可高達七成,而以先進高強度鋼板、鋁合金及樹脂材料的使用比重增速最為明顯。
2. 鋁合金
鋁合金是汽車輕量化過程中使用最多的材料,全球鋁材料的市場規模呈逐年遞增的趨勢,如圖一,預估可從2012年的211億美元成長至2019年的564億美元,年複合成長率高達17.7%。會有這麼高的成長,主要是由於鋁合金材料具有質輕、可回收和易成形的特點。根據實測,鋁製的車架可比鋼製車架減重達30~40%,其中鋁製發動機可減重30%,鋁製散熱器比銅製會再減輕20~40%,汽車鋁輪轂也能減重 30%,因此現階段鋁合金材料似乎是汽車輕量化理想的材料。


圖一、全球2012~2019年車用輕量化鋁材市場規模
圖一、全球2012~2019年車用輕量化鋁材市場規模

 
車廠及零組件廠在材料輕量化之動向
2. 鎂合金的應用
鎂合金是常用金屬結構材料最輕的一種,其密度約為鋁的2/3、鋼的1/4。鎂合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上應用,鎂壓鑄件的生產效率比鋁高30~50%。新開發的無孔壓鑄法更可生產出沒有氣孔且可熱處理的鎂壓鑄件。一台汽車上有60多種零組件可以採用鎂合金,主要應用於汽車的方向盤、儀錶板、前端支架和動力總成等零組件。

在歐洲,進氣歧管(如奧迪V6/V8、寶馬V-8、歐寶V-6)和福斯汽車的飛輪均採用鎂合金生產。德國福斯Passat及Audi A2、A4和A6的鎂合金用量達到了14 kg。賓士公司最早將鎂合金鑄件用於汽車座支架,現500SEL敞篷小客車的鎂合金座椅框架(包括座墊骨架、靠背骨架和安全帶保持器)共8.5 kg,而原來的鋼製框架共20 kg。而BMW全面使用鎂合金輪轂,比鋁製品輕3.85 kg,同時抗震能力也有很大提高。BMW推出的鎂合金發動機,使鎂合金在汽車的應用達到一個新境界。

3. 複合材料與其他材料的應用
美國科羅拉多州專研熱塑性複合材料的Polystrand公司,研製出了一款GTLite賽車,這款特製的賽車旨在突出熱塑性複合材料在多連桿獨立後懸掛系統汽車零元件上的應用,並在2016年5月28~29日美國賽車俱樂部(SCCA)舉辦的普韋布洛賽車競速比賽,圓滿完成這款賽車的第三個賽車周。Polystrand公司認為這是第一輛以連續纖維增強熱塑性(尼龍)複合材料作為主懸架彈簧的汽車,由於纖維增強熱塑性複合材料易於加工、性價比高且可回收使用,將有可能替代部分當前材料,在汽車輕量化應用中發揮潛力。

德國公司NaFaTec則使用一種自然纖維的材料。所謂自然纖維,指的是自然界中存在的,或者經過人工培育的植物或動物身上直接取得的紡織纖維,包括木纖維、麻纖維、棉纖維、竹纖維等。自然纖維主要是用在車輛內飾件上,目前應用優點包括:①受到碰撞之後不會破碎成有稜角的碎片而對車內乘員造成二次傷害,安全性較高;②合成纖維占比最大,不受原油價格影響,有成本優勢;③原材料生產過程中二氧化碳排放少;④能夠達成更好的吸音與NVH(減振降噪)效果。而現階段碳纖維複合材料的兩個擴大應用的瓶頸包括---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:陳靖惠、薛乃綺 / 金屬工業研究發展中心
★本文節錄自「工業材料雜誌」363期,更多資料請見下方附檔。


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