目前的輕量化技術(shù)，主要是兩個方向，一個是在使用材料不變的情況下，對汽車結(jié)構(gòu)和材料的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；一個則是尋找能夠滿足使用要求的更輕的材料。
在使用新型材料上，喬治費歇爾集團(tuán)總裁和CEO Yves Serra提出了以規(guī)模經(jīng)濟(jì)為標(biāo)準(zhǔn)的新型材料選擇策略，判斷任何材料能否成為汽車輕量化的主流材質(zhì)的最終標(biāo)準(zhǔn)是：能否以可承受的成本進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
正是這一條標(biāo)準(zhǔn)，限制了一些在輕量化上頗有潛力的材料的應(yīng)用。不過，迎難而上是汽車工程師們的美好品德之一，這不，就有兩種材料被突破了以往的限制，離大規(guī)模生產(chǎn)這個目標(biāo)又邁進(jìn)了一大步。
最后的輕金屬鎂
這個小標(biāo)題借用于日經(jīng)技術(shù)在線。筆者在為這篇文章準(zhǔn)備資料時，看到了日經(jīng)技術(shù)在線的相關(guān)文章，自覺想不出比這個更貼切的形容詞了。
更高強度的鋼、鋁乃至碳纖維都是現(xiàn)在人們耳熟能詳?shù)妮p量化材料了。應(yīng)該還有人記得初中時背過的元素周期表，在自然界中，鎂的質(zhì)量比鋁更輕，而在它之前的三種金屬元素鋰、鈹和鈉，則因為強度、化學(xué)活性等原因在其他領(lǐng)域發(fā)揮著光和熱，也會作為鎂、鋁合金的一種組成成分，但一直也不是主要成分，因此用”最后的輕金屬”來形容鎂是再合適不過了。
在重量上，鎂只有鋼的四分之一、鋁的三分之二。相反的，在成本上，鎂比鋼要多出四分之三，比鋁也要多出三分之一。而且，鎂具有易燃性，其制造過程并不太環(huán)保，在加工成型上也非常艱難。
所以鎂不僅占據(jù)著天然優(yōu)勢，也有著天然的劣勢。這些劣勢讓它離著”以可承受的成本進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)”這個標(biāo)準(zhǔn)十分遙遠(yuǎn)，因此在普及程度上非常有限。
但，需求決定一切，在看到輕量化在節(jié)能減排上的巨大潛力，而鋁合金已經(jīng)不能滿足日益變態(tài)的法規(guī)規(guī)定了，汽車制造商們都不約而同地把目光轉(zhuǎn)向了鎂，并且得到了政府的大力支持。
據(jù)Ward Auto報道，美國能源部先進(jìn)研究計劃署給汽車輕量化技術(shù)資助了3200萬美金，其中主要的研發(fā)方向就是鎂的使用。
目前，世界范圍內(nèi)使用的大部分的鎂都是從國內(nèi)出口的。對于美國、德國、日本這樣的汽車工業(yè)大頭來說，由于進(jìn)口稅的存在，讓鎂的價格進(jìn)一步增加。國內(nèi)都是通過燒煤來提取鎂，對環(huán)境的污染十分嚴(yán)重；美國產(chǎn)鎂量最大的猶他州，是通過電解大鹽湖中的熔融鹽來提取鎂，制造過程中的能耗非常大。
于是，如何讓鎂的提取過程不再對環(huán)境和能源造成負(fù)擔(dān)是擺在汽車制造商們眼前的關(guān)鍵問題。美國能源部給出的3200萬美金中，就有一筆專門的資金是給太平洋國家實驗室(PNNL)用于研究能否從海水中提取鎂元素的。據(jù)PNNL估計，從海水中提取鎂所需要的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電解熔融鹽的能耗，如果研究能夠成功，將把生產(chǎn)效率提高50%。
美國的科羅拉多大學(xué)還設(shè)計了一種新的提取方法，用太陽能來取代一部分的能量供給。
日本和韓國在鎂的研發(fā)上也取得了革命性的進(jìn)展。據(jù)日經(jīng)技術(shù)在線報道，日本已經(jīng)研制出KUMADAI不燃鎂合金，不僅解決了鎂的易燃性問題，在加工方法上也有了進(jìn)步。韓國政府打算在8年內(nèi)投資約14億元人民幣進(jìn)行相關(guān)研究，并也建立了鎂板材的量產(chǎn)體系。
技術(shù)上動向表明鎂離低成本量產(chǎn)的距離越來越小了，那么，當(dāng)鎂合金成功被低成本量產(chǎn)時，能有哪些應(yīng)用呢？
以鎂合金為材料的汽車結(jié)構(gòu)件
其實非常廣泛。實際上，在汽車制造商的計劃里，到2020年，在車身結(jié)構(gòu)上會使用平均160公斤的鎂合金，大概占據(jù)了車身總重的十分之一，主要會應(yīng)用在后備箱的面板或者座椅框架等部位?，F(xiàn)在也有部分車型開始使用鎂合金，大眾的XL1，在加強梁和碰撞能量吸收結(jié)構(gòu)，寶馬也在旗下的部分發(fā)動機(jī)型號上使用了鎂合金。特別的，在燃料電池方面，鎂還能作為儲存和運輸氫氣的材料得到運用。
除了成本和加工問題之外，鎂要想廣泛使用在汽車的結(jié)構(gòu)件上，還需要解決其韌性較低、容易斷裂的問題。福特等汽車廠商已經(jīng)開始了這方面的研究。福特認(rèn)為，如果鎂能夠在車身結(jié)構(gòu)上大面積地使用，至少能夠讓車輛的重量降低20%。
在可預(yù)見的未來里，鎂在成本上的競爭力可能永遠(yuǎn)也比不過鋼。這也就意味著以后最有可能看到鎂的應(yīng)用的車型應(yīng)該會是豪華車、跑車和高端的SUV了，對于這些車型來說，價格從來就不是問題。而且，它們還將因輕量化而在操控性、舒適性、動力性能以及燃油效率這些方面等到提升，更好地成就其名。
植物纖維與聚合物的聯(lián)姻
另外一個輕量化的重要材料就是碳纖維。寶馬經(jīng)過十幾年的技術(shù)鉆研，利用可再生能源和更便捷的方法進(jìn)行碳纖維的加工制造，成為了第一個在大規(guī)模量產(chǎn)車型上大面積使用碳纖維的汽車制造商。不過，即便如此，碳纖維目前還是土豪專屬材料。大部分的汽車廠商還是把主意打到了其他的復(fù)合材料上。
福特與主營林產(chǎn)品和紙品的惠好、汽車零部件供應(yīng)商江森自控有一個為期三年的合作項目：創(chuàng)造一種以從木材上提取出的植物纖維為基礎(chǔ)、可再生的、能取代現(xiàn)在汽車配件上玻璃纖維的材料。現(xiàn)在，這項研究已經(jīng)有了結(jié)果。
在2014款的林肯MKX上，將會用這種新型材料制成其中央控制臺下地板的材料。這種新型材料被稱為Cellulose Reinforced Polypropylene，即纖維增強聚丙烯(以下簡稱CRP)，是植物纖維與聚丙烯的復(fù)合材料。
由CRF制成的面板在重量上輕了6%，它的成功研制減小了業(yè)內(nèi)對于不怎么環(huán)保的玻璃纖維的依賴。福特的塑料技術(shù)研究專家Ellen Lee博士認(rèn)為，雖然目前CRF材料在汽車上的應(yīng)用還只是非常小的一部分，但是卻具有大面積使用的潛力。具體可參照福特工程師們對大豆基泡沫塑料的成功研發(fā)和使用，一開始也是小范圍的，但隨著材料性能的提升，最終成為內(nèi)飾中的重要材料之一。
與大豆基泡沫塑料不同的是，CRP材料不僅能用在內(nèi)飾上，在車身結(jié)構(gòu)上同樣能夠使用。Lee博士總結(jié)了一下CRP材料未來可能的應(yīng)用范圍：
1.在發(fā)動機(jī)罩下，可以通過吹制成型的方法，將其制成蓄電池的保護(hù)外殼和支架、進(jìn)氣系統(tǒng)中的空氣罐、汽濾油濾等瓶瓶罐罐的支架以及散熱風(fēng)扇的外罩等；
2.備胎固定裝置的安裝組件，墊圈或者保險杠的支撐結(jié)構(gòu)，車輪罩；
3.密封條的載體，放電鏈的絕緣環(huán)以及車內(nèi)電纜的外罩等；
4.內(nèi)飾上，車門、中央扶手和中央操控臺組件、車頂、空調(diào)出風(fēng)口的擋片、座椅背和座椅框架、剎車和油門踏板、手套盒等等。
在越大的組件上使用CRP材料，它帶來的輕量化效果就越明顯。
在與惠好的合作中，福特發(fā)現(xiàn)以植物纖維為基礎(chǔ)的復(fù)合材料能夠很好地滿足汽車制造商們對于材料在剛性、壽命、耐熱性以及氣味上的迫切需求。除了能夠降低重量之外，與玻璃纖維相比，由CRP組成的組件的制造速度也能夠提高20%-40%，并且制造過程耗費的能量也有所減少。這些在重量和制造流程上的節(jié)省可以等效為降低制造成本。
在研發(fā)過程中，困擾著福特工程師們的難題之一是材料的外表。在CRP材料的外表面，能夠看到一些凸起的小顆粒。雖然這些顆粒不會影響材料的性能，但是這不會是林肯的客戶想要看到的東西。因此，以CRP為材料制成的第一個成品是車身底板，然后被泡沫塑料和蓋板覆蓋了。當(dāng)然，在下一代的產(chǎn)品中，這個問題已經(jīng)得到了改進(jìn)。
惠好公司對于CRP的稱呼有所不同，他們管它叫THRIVE復(fù)合材料。在惠好看來，CRP只是將植物纖維與聚丙烯進(jìn)行合成的產(chǎn)物。之所以選擇聚丙烯是因為兩者在溶體流動指數(shù)上十分接近，更易進(jìn)行合成。然而植物纖維與很多不同種類的聚合物的兼容性都非常好，惠好的下一計劃就是將合成物從聚丙烯擴(kuò)展到一系列的碳?xì)浠衔锘蚍翘細(xì)浠衔锏木酆衔锷稀２⒔璐?，將這種復(fù)合材料的應(yīng)用推行到其他行業(yè)和市場中。
為了提升材料的不同性能，惠好在兩種材料的合成比例上與福特也有所不同。在發(fā)現(xiàn)這一點后，福特就把在內(nèi)飾組件上具有相當(dāng)強專業(yè)能力的江森自控拉入了合作團(tuán)隊。
CRP中的植物纖維是從木漿中提取出來的，與玻璃纖維或者自然形成的纖維如大麻纖維、i3使用的洋麻纖維相比，有著無法比擬的優(yōu)勢。
植物纖維與玻璃纖維、自然形成纖維的優(yōu)勢比較
目前福特使用的CRP中植物纖維的比例為20%，福特也在為20%和40%比例的聚合物開拓在其他方面的應(yīng)用。
從目前的技術(shù)發(fā)展來看，不論是鎂，還是CRP，都還沒有達(dá)到Y(jié)ves Serra的規(guī)模經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，這些技術(shù)上的突破和進(jìn)步還不足以讓其成本降到可承受的范圍內(nèi)。這些實質(zhì)性的進(jìn)展更重大的意義是為接下來的研究指出了一個明確的方向。羅馬不是一天建成的，技術(shù)也不可能一步到位，但是只要節(jié)能環(huán)保的大旗不倒，汽車制造商們對于極致性能的追求沒有被泯滅，就終會有實現(xiàn)的一天。
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