馬琳 耿雷

近年來(lái)，隨著汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展以及人們生活水平的提高，汽車(chē)保有量急劇增加，對(duì)能源的依存度也越來(lái)越高，節(jié)能和環(huán)保已經(jīng)成為世界汽車(chē)工業(yè)目前發(fā)展面臨的2大難題。研究表明，降低汽車(chē)重量能夠有效降低油耗以及排放，整車(chē)質(zhì)量每下降10%，油耗下降6%～8%，排放下降4%～10%，輕量化已經(jīng)成為汽車(chē)工業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向，新材料的應(yīng)用則被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)“減重”的關(guān)鍵。德國(guó)、美國(guó)、日本等汽車(chē)制造大國(guó)紛紛加強(qiáng)輕量化材料在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了較好效果。相比之下，我國(guó)汽車(chē)在輕量化材料應(yīng)用方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比存在較大差距，如鋁及鋼用量約是國(guó)際先進(jìn)水平的一半左右，鎂合金用量則是歐洲先進(jìn)水平的1/10左右。因此深入研究發(fā)達(dá)國(guó)家在汽車(chē)輕量化材料應(yīng)用方面的成功經(jīng)驗(yàn)，可以給我國(guó)的汽車(chē)輕量化材料推廣應(yīng)用帶來(lái)很多啟示。

1 輕量化已經(jīng)成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)

1.1 各國(guó)紛紛收緊汽車(chē)能耗及排放政策

能源與環(huán)境危機(jī)加速了各國(guó)政府對(duì)汽車(chē)能耗和排放的嚴(yán)格控制，日本從1966年就開(kāi)始加強(qiáng)對(duì)汽車(chē)排放的控制，其2005年開(kāi)始實(shí)施的長(zhǎng)期限制標(biāo)準(zhǔn)被譽(yù)為世界上最嚴(yán)格的尾氣限制標(biāo)準(zhǔn)。2009年5月，美國(guó)奧巴馬政府也宣布了限制汽車(chē)溫室氣體排放和油耗的新法規(guī)，要求在2016年新車(chē)平均燃油經(jīng)濟(jì)性要在2007年水平基礎(chǔ)上提高42%。此外，韓國(guó)也計(jì)劃于2020年繼續(xù)收緊對(duì)于汽車(chē)排放的控制法規(guī)。輕量化設(shè)計(jì)將成為目前改善汽車(chē)能耗和排放的必要途徑之一。詳見(jiàn)表1所示。

1.2 各國(guó)政府高度重視汽車(chē)輕量化技術(shù)研究

美國(guó)政府早在1993年就提出了新一代汽車(chē)合作計(jì)劃（PNGV），其中整車(chē)輕量化應(yīng)用技術(shù)是其中主要的技術(shù)路線(xiàn)，2002年又提出了自由合作汽車(chē)研究（CAR）計(jì)劃，輕量化也是核心的技術(shù)路線(xiàn)之一。2005年歐盟第六框架計(jì)劃之下也開(kāi)展了超輕車(chē)身聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目（SuperLIGHT—CAR）研發(fā)項(xiàng)目，目的是減少轎車(chē)質(zhì)量、節(jié)約燃油和減少CO2排放，實(shí)現(xiàn)車(chē)身減重30%。此外，世界鋼鐵聯(lián)盟也先后開(kāi)展了超輕量化鋼汽車(chē)車(chē)身項(xiàng)目、超輕量化鋼先進(jìn)汽車(chē)項(xiàng)目等，加強(qiáng)汽車(chē)輕量化相關(guān)技術(shù)攻關(guān)。

1.3 汽車(chē)輕量化材料應(yīng)用逐年提升

隨著各國(guó)對(duì)汽車(chē)輕量化的重視程度不斷提高，輕量化材料應(yīng)用比例呈現(xiàn)逐年上升的發(fā)展趨勢(shì)，目前全球車(chē)企使用較多的輕量化新材料主要包括碳纖維、鋁合金、鎂合金、工程塑料等。德國(guó)、美國(guó)、日本是目前全球汽車(chē)輕量化材料使用比例相對(duì)較高的國(guó)家，其中德國(guó)的汽車(chē)輕量化材料應(yīng)用占比達(dá)25%左右，是全球使用比例最高的國(guó)家，詳見(jiàn)表2所示。

2 國(guó)外汽車(chē)輕量化材料應(yīng)用的主要做法

2.1 政府引導(dǎo)有力

出臺(tái)多項(xiàng)政策措施。目前美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)際汽車(chē)強(qiáng)國(guó)都紛紛出臺(tái)了相關(guān)政策扶持、引導(dǎo)汽車(chē)輕量化應(yīng)用，并且從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、財(cái)稅政策、科技計(jì)劃等多方面出臺(tái)多項(xiàng)政策措施，倒逼汽車(chē)輕量化材料應(yīng)用快速發(fā)展，詳見(jiàn)表3所示。

明確發(fā)展目標(biāo)和技術(shù)路線(xiàn)圖。目前美、日、歐、韓等國(guó)都針對(duì)汽車(chē)輕量化提出了明確的發(fā)展指標(biāo)和技術(shù)路線(xiàn)，如美國(guó)不僅提出了整車(chē)輕量化的目標(biāo)，并且針對(duì)這個(gè)目標(biāo)對(duì)包括車(chē)身系統(tǒng)、底盤(pán)、動(dòng)力總成在內(nèi)的整個(gè)組成系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)拆分，同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注高強(qiáng)鋼、鋁、鎂、鈦合金鎳合金、復(fù)合材料等汽車(chē)輕量化材料，詳見(jiàn)表4所示。日本則重點(diǎn)關(guān)注鋼鐵、非鐵金屬（鋁、鎂等）、樹(shù)脂/復(fù)合材料等材料，及其加工技術(shù)和連接技術(shù)，并提出明確的輕量化目標(biāo)。

2.2 加強(qiáng)多部門(mén)的協(xié)同創(chuàng)新

目前世界各國(guó)都高度關(guān)注輕量化材料及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在推動(dòng)模式上，不僅有政府的強(qiáng)力推動(dòng)，同時(shí)注重各方的協(xié)同，在共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)上，一般都是采用政府支持、社會(huì)組織協(xié)調(diào)、產(chǎn)學(xué)研共同參與的模式，鼓勵(lì)和支持跨產(chǎn)業(yè)合作，利用研發(fā)計(jì)劃、科技計(jì)劃等方式給予支持，推動(dòng)構(gòu)建“企業(yè)+高校+研究機(jī)構(gòu)”的產(chǎn)業(yè)組織體系。

為支持輕量化材料發(fā)展，美國(guó)還成立了“面向未來(lái)輕量化創(chuàng)新中心”，目前創(chuàng)新中心的會(huì)員單位已經(jīng)超過(guò)200家，涵蓋了研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)、制造企業(yè)、社區(qū)學(xué)院、非盈利機(jī)構(gòu)等產(chǎn)學(xué)研各方，有利于集中資金、人才、設(shè)備等各類(lèi)資源，開(kāi)展多方協(xié)同創(chuàng)新。

日本、德國(guó)輕量化材料的研發(fā)項(xiàng)目雖然大多數(shù)都是由企業(yè)自己執(zhí)行，但是政府充分發(fā)揮推動(dòng)作用，通過(guò)經(jīng)費(fèi)投入、組織協(xié)調(diào)、政策保障等方式組織各方創(chuàng)新力量協(xié)同，形成各創(chuàng)新主體分工明確而又協(xié)同有序的發(fā)展形勢(shì)。

2.3 重視專(zhuān)利的戰(zhàn)略布局

從全球汽車(chē)輕量化技術(shù)專(zhuān)利來(lái)看，日本、德國(guó)、美國(guó)的專(zhuān)利占比約占全球?qū)＠偭康?0%左右，其中核心專(zhuān)利達(dá)到80%以上。企業(yè)分布以車(chē)企為主，同時(shí)還包括鋼鐵制造、化學(xué)制品、電子產(chǎn)品、橡膠等生產(chǎn)企業(yè)。不同的企業(yè)針對(duì)各自的研發(fā)方向各有側(cè)重，并且圍繞其核心專(zhuān)利進(jìn)行全球化布局。全球主要車(chē)企的輕量化材料專(zhuān)利布局重點(diǎn)詳見(jiàn)表5所示。

2.4 優(yōu)先選擇豪華車(chē)和新能源車(chē)

成本高是制約汽車(chē)輕量化材料應(yīng)用的一個(gè)主要瓶頸。一是研發(fā)成本高，汽車(chē)輕量化材料的研發(fā)投入大、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高。二是材料成本高，高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維等輕量化材料相比傳統(tǒng)的鑄鐵、鋼材等價(jià)格較高。三是車(chē)企制造成本高，新材料的使用需要車(chē)企更換新的、與材料性能相適應(yīng)的模具、生產(chǎn)線(xiàn)和設(shè)備等，帶來(lái)企業(yè)生產(chǎn)成本增加。四是后期維護(hù)成本高，受制于鋁合金、碳纖維等材料屬性，發(fā)生事故車(chē)身受損后維修成本很高。為應(yīng)對(duì)成本高問(wèn)題，目前國(guó)外車(chē)企在輕量化材料的應(yīng)用上優(yōu)先選擇對(duì)成本不敏感的豪華車(chē)和新能源車(chē)，以推動(dòng)輕量化材料的應(yīng)用推廣。

豪華車(chē)由于對(duì)成本的敏感度較低，更加注重速度和性能，已經(jīng)成為輕量化材料的應(yīng)用重點(diǎn)。自2011年寶馬發(fā)布由復(fù)合材料制造的BMW i子品牌，就開(kāi)啟了豪華車(chē)“輕量化”時(shí)代，目前寶馬、奔馳、奧迪、保時(shí)捷、法拉利等豪華跑車(chē)和高端車(chē)品牌紛紛在部分車(chē)型上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的輕量化材料應(yīng)用（表6）。

新能源車(chē)也是輕量化材料大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)重點(diǎn)方向，一方面輕量化材料應(yīng)用對(duì)提升新能源車(chē)電池續(xù)航里程的作用優(yōu)勢(shì)明顯，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，整車(chē)質(zhì)量減少10%，單次充電的行駛里程增加5.5%，另一方面部分新能源車(chē)屬于新車(chē)型，不存在傳統(tǒng)車(chē)型模具的成本支出，能夠有效降低輕量化材料的使用成本。如特斯拉的Model S和Model X均采用了全鋁車(chē)身，即約90%的機(jī)構(gòu)件均使用鋁合金，降重效果十分明顯。

2.5 注重多種材料的綜合優(yōu)化應(yīng)用

鋁合金由于在汽車(chē)上使用較早，工藝相對(duì)成熟，是很多車(chē)企首選的輕量化材料，并致力于打造全鋁車(chē)身。但隨著眾多新材料的不斷涌現(xiàn)，對(duì)汽車(chē)零部件的選材也有了更大的選擇空間，單一材料已經(jīng)難以同時(shí)滿(mǎn)足汽車(chē)零部件輕量化、工藝性、安全性、低成本等多種要求。因此國(guó)外車(chē)企在滿(mǎn)足汽車(chē)零部件基本性能要求的前提下，更加傾向于“多材料組合”和“合適的材料用于合適的部位”，如新一代奧迪A8豪華車(chē)型已經(jīng)正式放棄全鋁車(chē)身，回歸選用鋼鐵材料，特斯拉Model 3為降低成本，也放棄全鋁車(chē)身，選擇了鋼鋁混合車(chē)身結(jié)構(gòu)，多種材料綜合優(yōu)化應(yīng)用逐漸成為世界各國(guó)發(fā)展汽車(chē)輕量化的主要方向。

北美地區(qū)以年均5.6%的復(fù)合增長(zhǎng)率成為全球最大的汽車(chē)輕量化材料市場(chǎng)，其輕量化材料的應(yīng)用也呈現(xiàn)多種材料綜合應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，除了傳統(tǒng)的鋼鐵、鑄鐵等材料的應(yīng)用比例有所下降外，鋁、其他金屬、塑料等輕量化材料呈現(xiàn)逐漸上升的發(fā)展趨勢(shì)。圖1展示了1975—2025年北美地區(qū)汽車(chē)輕量化材料應(yīng)用比例變化。

3 對(duì)我國(guó)汽車(chē)輕量化材料應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)借鑒

3.1 加強(qiáng)政策扶持和引導(dǎo)

一是充分發(fā)揮現(xiàn)有政策的引導(dǎo)作用，利用現(xiàn)有新材料生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺(tái)、檢驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)、首批次保險(xiǎn)、新材料專(zhuān)項(xiàng)、重大科技專(zhuān)項(xiàng)等，加大對(duì)汽車(chē)輕量化材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的引導(dǎo)。二是從控制溫室氣體排放、提高燃油稅和重量稅、加大研發(fā)投入等多方面進(jìn)一步完善輕量化材料的扶持政策體系，尤其在稅收、消費(fèi)等環(huán)節(jié)加強(qiáng)針對(duì)輕量化汽車(chē)的鼓勵(lì)政策，倒逼企業(yè)加大汽車(chē)輕量化材料的應(yīng)用。三是加大對(duì)輕量化材料的財(cái)政支持力度，通過(guò)貼息貸款、補(bǔ)助等方式，對(duì)重點(diǎn)輕量化材料領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)前景好、技術(shù)成熟度高、易于產(chǎn)業(yè)化的項(xiàng)目進(jìn)行重點(diǎn)扶持，加大推廣應(yīng)用力度。四是盡快完善汽車(chē)工業(yè)的材料標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)一些長(zhǎng)期沒(méi)有修訂、與輕量化汽車(chē)市場(chǎng)需求不相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，加快制定高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、塑料、碳纖維等汽車(chē)新材料及零部件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 強(qiáng)化協(xié)同創(chuàng)新

一是組織科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)、汽車(chē)制造企業(yè)、材料生產(chǎn)企業(yè)等組建國(guó)家級(jí)輕量化材料創(chuàng)新中心，重點(diǎn)解決我國(guó)目前輕量化材料應(yīng)用比例偏低、關(guān)鍵核心技術(shù)基礎(chǔ)不牢、創(chuàng)新載體分散、創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化不暢等核心問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新資源整合，推動(dòng)知識(shí)、資本、人才的靈活流動(dòng)和合理配置，重點(diǎn)加強(qiáng)整車(chē)設(shè)計(jì)優(yōu)化和評(píng)價(jià)技術(shù)、零部件設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)技術(shù)、新材料開(kāi)發(fā)和成型技術(shù)、連接技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化。二是充分發(fā)揮企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新決策、研發(fā)投入、科研組織和成果轉(zhuǎn)化中的主體作用，加快構(gòu)建以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合創(chuàng)新機(jī)制。三是鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作，加強(qiáng)材料生產(chǎn)企業(yè)與汽車(chē)制造企業(yè)之間的合作，通過(guò)建立聯(lián)盟、開(kāi)展產(chǎn)業(yè)對(duì)接會(huì)等形式，打通上下游產(chǎn)業(yè)通道。

3.3 開(kāi)展應(yīng)用示范

一是整合相關(guān)政策資源，在全國(guó)范圍內(nèi)選擇技術(shù)較為成熟、人才資源豐富、市場(chǎng)基礎(chǔ)好的車(chē)企進(jìn)行先行先試，并根據(jù)市場(chǎng)情況進(jìn)行推廣，示范過(guò)程中加快制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，形成可以復(fù)制的經(jīng)驗(yàn)。二是充分發(fā)揮我國(guó)作為全球最大的新能源汽車(chē)市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)先選擇技術(shù)較為成熟的新能源車(chē)型開(kāi)展示范，通過(guò)貼息、消費(fèi)補(bǔ)貼等形式進(jìn)行扶持。三是鼓勵(lì)地方政府針對(duì)當(dāng)?shù)匕l(fā)展現(xiàn)狀，篩選有實(shí)力的企業(yè)開(kāi)展應(yīng)用示范，并進(jìn)行相關(guān)扶持。

3.4 重視專(zhuān)利的質(zhì)量提升和前瞻性布局

一是通過(guò)開(kāi)展專(zhuān)利講座、專(zhuān)利申請(qǐng)前評(píng)估、細(xì)化鼓勵(lì)政策等措施，引導(dǎo)企業(yè)、科研院所等強(qiáng)化對(duì)高質(zhì)量專(zhuān)利的重視程度，提升我國(guó)輕量化專(zhuān)利質(zhì)量和水平，尤其是核心專(zhuān)利的占比。二是引導(dǎo)實(shí)力較強(qiáng)的生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合科研院所加強(qiáng)對(duì)專(zhuān)利的前瞻性布局，尤其在材料研發(fā)、車(chē)身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)、成型焊接工藝等國(guó)內(nèi)較為薄弱的領(lǐng)域進(jìn)行全球性專(zhuān)利布局。三是加強(qiáng)對(duì)全球輕量化核心專(zhuān)利的系統(tǒng)性研究，尤其是美國(guó)、日本、德國(guó)輕量化材料專(zhuān)利的發(fā)展趨勢(shì)，了解其專(zhuān)利申請(qǐng)保護(hù)的策略，預(yù)判技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)展專(zhuān)利分析預(yù)警工作，為我國(guó)未來(lái)汽車(chē)輕量化戰(zhàn)略布局提供借鑒。