再論輕量化：尋找最有“材”的汽車

　　目前的輕量化技術(shù)，主要是兩個(gè)方向，一個(gè)是在使用材料不變的情況下，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)和材料的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；一個(gè)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(fèi)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(guò)，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(gè)目標(biāo)又邁進(jìn)了一大步。

　　最后的輕金屬鎂

　　這個(gè)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(shí)，看到了日經(jīng)技術(shù)在線的相關(guān)文章，自覺(jué)想不出比這個(gè)更貼切的形容詞了。

　　更高強(qiáng)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(shí)背過(guò)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?yàn)閺?qiáng)度、化學(xué)活性等原因在其他領(lǐng)域發(fā)揮著光和熱，也會(huì)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(lái)形容鎂是再合適不過(guò)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(guò)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(shì)，也有著天然的劣勢(shì)。這些劣勢(shì)讓它離著”以可承受的成本進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)”這個(gè)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(bào)道，美國(guó)能源部先進(jìn)研究計(jì)劃署給汽車輕量化技術(shù)資助了3200萬(wàn)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(guó)內(nèi)出口的。對(duì)于美國(guó)、德國(guó)、日本這樣的汽車工業(yè)大頭來(lái)說(shuō)，由于進(jìn)口稅的存在，讓鎂的價(jià)格進(jìn)一步增加。國(guó)內(nèi)都是通過(guò)燒煤來(lái)提取鎂，對(duì)環(huán)境的污染十分嚴(yán)重；美國(guó)產(chǎn)鎂量最大的猶他州，是通過(guò)電解大鹽湖中的熔融鹽來(lái)提取鎂，制造過(guò)程中的能耗非常大。

　　于是，如何讓鎂的提取過(guò)程不再對(duì)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(wèn)題。美國(guó)能源部給出的3200萬(wàn)美金中，就有一筆專門(mén)的資金是給太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)用于研究能否從海水中提取鎂元素的。據(jù)PNNL估計(jì)，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(guó)的科羅拉多大學(xué)還設(shè)計(jì)了一種新的提取方法，用太陽(yáng)能來(lái)取代一部分的能量供給。

　　日本和韓國(guó)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(bào)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(wèn)題，在加工方法上也有了進(jìn)步。韓國(guó)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(dòng)向表明鎂離低成本量產(chǎn)的距離越來(lái)越小了，那么，當(dāng)鎂合金成功被低成本量產(chǎn)時(shí)，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(shí)非常廣泛。實(shí)際上，在汽車制造商的計(jì)劃里，到2020年，在車身結(jié)構(gòu)上會(huì)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(huì)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(kāi)始使用鎂合金，大眾的XL1，在加強(qiáng)梁和碰撞能量吸收結(jié)構(gòu)，寶馬也在旗下的部分發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)上使用了鎂合金。特別的，在燃料電池方面，鎂還能作為儲(chǔ)存和運(yùn)輸氫氣的材料得到運(yùn)用。

　　除了成本和加工問(wèn)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(wèn)題。福特等汽車廠商已經(jīng)開(kāi)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(jiàn)的未來(lái)里，鎂在成本上的競(jìng)爭(zhēng)力可能永遠(yuǎn)也比不過(guò)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(huì)是豪華車、跑車和高端的SUV了，對(duì)于這些車型來(lái)說(shuō)，價(jià)格從來(lái)就不是問(wèn)題。而且，它們還將因輕量化而在操控性、舒適性、動(dòng)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(gè)輕量化的重要材料就是碳纖維。寶馬經(jīng)過(guò)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(gè)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(guò)，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(yíng)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(gè)為期三年的合作項(xiàng)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?，F(xiàn)在，這項(xiàng)研究已經(jīng)有了結(jié)果。

　　在2014款的林肯MKX上，將會(huì)用這種新型材料制成其中央控制臺(tái)下地板的材料。這種新型材料被稱為Cellulose Reinforced Polypropylene，即纖維增強(qiáng)聚丙烯(以下簡(jiǎn)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(duì)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(duì)大豆基泡沫塑料的成功研發(fā)和使用，一開(kāi)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(lái)可能的應(yīng)用范圍：

　　1.在發(fā)動(dòng)機(jī)罩下，可以通過(guò)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(xiǎn)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(mén)、中央扶手和中央操控臺(tái)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(mén)踏板、手套盒等等。

　　在越大的組件上使用CRP材料，它帶來(lái)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(duì)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(guò)程耗費(fèi)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(guò)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(huì)影響材料的性能，但是這不會(huì)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(gè)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(gè)問(wèn)題已經(jīng)得到了改進(jìn)。

　　惠好公司對(duì)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(lái)，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?yàn)閮烧咴谌荏w流動(dòng)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(jì)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?。并借此，將這種復(fù)合材料的應(yīng)用推行到其他行業(yè)和市場(chǎng)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(diǎn)后，福特就把在內(nèi)飾組件上具有相當(dāng)強(qiáng)專業(yè)能力的江森自控拉入了合作團(tuán)隊(duì)。

　　CRP中的植物纖維是從木漿中提取出來(lái)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　植物纖維與玻璃纖維、自然形成纖維的優(yōu)勢(shì)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(kāi)拓在其他方面的應(yīng)用。

　　從目前的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，不論是鎂，還是CRP，都還沒(méi)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(shí)質(zhì)性的進(jìn)展更重大的意義是為接下來(lái)的研究指出了一個(gè)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(duì)于極致性能的追求沒(méi)有被泯滅，就終會(huì)有實(shí)現(xiàn)的一天。