再论轻量化：寻找最有“材”的汽车

　　目前的轻量化技术，主要是两个方向，一个是在使用材料不变的情况下，对汽车结构和材料的加工工艺进行优化设计；一个则是寻找能够满足使用要求的更轻的材料。

　　在使用新型材料上，乔治费歇尔集团总裁和CEO Yves Serra提出了以规模经济为标准的新型材料选择策略，判断任何材料能否成为汽车轻量化的主流材质的最终标准是：能否以可承受的成本进行大规模生产。

　　正是这一条标准，限制了一些在轻量化上颇有潜力的材料的应用。不过，迎难而上是汽车工程师们的美好品德之一，这不，就有两种材料被突破了以往的限制，离大规模生产这个目标又迈进了一大步。

　　最后的轻金属镁

　　这个小标题借用于日经技术在线。笔者在为这篇文章准备资料时，看到了日经技术在线的相关文章，自觉想不出比这个更贴切的形容词了。

　　更高强度的钢、铝乃至碳纤维都是现在人们耳熟能详的轻量化材料了。应该还有人记得初中时背过的元素周期表，在自然界中，镁的质量比铝更轻，而在它之前的三种金属元素锂、铍和钠，则因为强度、化学活性等原因在其他领域发挥着光和热，也会作为镁、铝合金的一种组成成分，但一直也不是主要成分，因此用”最后的轻金属”来形容镁是再合适不过了。

　　在重量上，镁只有钢的四分之一、铝的三分之二。相反的，在成本上，镁比钢要多出四分之三，比铝也要多出三分之一。而且，镁具有易燃性，其制造过程并不太环保，在加工成型上也非常艰难。

　　所以镁不仅占据着天然优势，也有着天然的劣势。这些劣势让它离着”以可承受的成本进行大规模量产”这个标准十分遥远，因此在普及程度上非常有限。

　　但，需求决定一切，在看到轻量化在节能减排上的巨大潜力，而铝合金已经不能满足日益变态的法规规定了，汽车制造商们都不约而同地把目光转向了镁，并且得到了政府的大力支持。

　　据Ward Auto报道，美国能源部先进研究计划署给汽车轻量化技术资助了3200万美金，其中主要的研发方向就是镁的使用。

　　目前，世界范围内使用的大部分的镁都是从国内出口的。对于美国、德国、日本这样的汽车工业大头来说，由于进口税的存在，让镁的价格进一步增加。国内都是通过烧煤来提取镁，对环境的污染十分严重；美国产镁量最大的犹他州，是通过电解大盐湖中的熔融盐来提取镁，制造过程中的能耗非常大。

　　于是，如何让镁的提取过程不再对环境和能源造成负担是摆在汽车制造商们眼前的关键问题。美国能源部给出的3200万美金中，就有一笔专门的资金是给太平洋国家实验室(PNNL)用于研究能否从海水中提取镁元素的。据PNNL估计，从海水中提取镁所需要的能量远远低于电解熔融盐的能耗，如果研究能够成功，将把生产效率提高50%。

　　美国的科罗拉多大学还设计了一种新的提取方法，用太阳能来取代一部分的能量供给。

　　日本和韩国在镁的研发上也取得了革命性的进展。据日经技术在线报道，日本已经研制出KUMADAI不燃镁合金，不仅解决了镁的易燃性问题，在加工方法上也有了进步。韩国政府打算在8年内投资约14亿元人民币进行相关研究，并也建立了镁板材的量产体系。

　　技术上动向表明镁离低成本量产的距离越来越小了，那么，当镁合金成功被低成本量产时，能有哪些应用呢？

　　以镁合金为材料的汽车结构件

　　其实非常广泛。实际上，在汽车制造商的计划里，到2020年，在车身结构上会使用平均160公斤的镁合金，大概占据了车身总重的十分之一，主要会应用在后备箱的面板或者座椅框架等部位。现在也有部分车型开始使用镁合金，大众的XL1，在加强梁和碰撞能量吸收结构，宝马也在旗下的部分发动机型号上使用了镁合金。特别的，在燃料电池方面，镁还能作为储存和运输氢气的材料得到运用。

　　除了成本和加工问题之外，镁要想广泛使用在汽车的结构件上，还需要解决其韧性较低、容易断裂的问题。福特等汽车厂商已经开始了这方面的研究。福特认为，如果镁能够在车身结构上大面积地使用，至少能够让车辆的重量降低20%。

　　在可预见的未来里，镁在成本上的竞争力可能永远也比不过钢。这也就意味着以后最有可能看到镁的应用的车型应该会是豪华车、跑车和高端的SUV了，对于这些车型来说，价格从来就不是问题。而且，它们还将因轻量化而在操控性、舒适性、动力性能以及燃油效率这些方面等到提升，更好地成就其名。

　　植物纤维与聚合物的联姻

　　另外一个轻量化的重要材料就是碳纤维。宝马经过十几年的技术钻研，利用可再生能源和更便捷的方法进行碳纤维的加工制造，成为了第一个在大规模量产车型上大面积使用碳纤维的汽车制造商。不过，即便如此，碳纤维目前还是土豪专属材料。大部分的汽车厂商还是把主意打到了其他的复合材料上。

　　福特与主营林产品和纸品的惠好、汽车零部件供应商江森自控有一个为期三年的合作项目：创造一种以从木材上提取出的植物纤维为基础、可再生的、能取代现在汽车配件上玻璃纤维的材料。现在，这项研究已经有了结果。

　　在2014款的林肯MKX上，将会用这种新型材料制成其中央控制台下地板的材料。这种新型材料被称为Cellulose Reinforced Polypropylene，即纤维增强聚丙烯(以下简称CRP)，是植物纤维与聚丙烯的复合材料。

　　由CRF制成的面板在重量上轻了6%，它的成功研制减小了业内对于不怎么环保的玻璃纤维的依赖。福特的塑料技术研究专家Ellen Lee博士认为，虽然目前CRF材料在汽车上的应用还只是非常小的一部分，但是却具有大面积使用的潜力。具体可参照福特工程师们对大豆基泡沫塑料的成功研发和使用，一开始也是小范围的，但随着材料性能的提升，最终成为内饰中的重要材料之一。

　　与大豆基泡沫塑料不同的是，CRP材料不仅能用在内饰上，在车身结构上同样能够使用。Lee博士总结了一下CRP材料未来可能的应用范围：

　　1.在发动机罩下，可以通过吹制成型的方法，将其制成蓄电池的保护外壳和支架、进气系统中的空气罐、汽滤油滤等瓶瓶罐罐的支架以及散热风扇的外罩等；

　　2.备胎固定装置的安装组件，垫圈或者保险杠的支撑结构，车轮罩；

　　3.密封条的载体，放电链的绝缘环以及车内电缆的外罩等；

　　4.内饰上，车门、中央扶手和中央操控台组件、车顶、空调出风口的挡片、座椅背和座椅框架、刹车和油门踏板、手套盒等等。

　　在越大的组件上使用CRP材料，它带来的轻量化效果就越明显。

　　在与惠好的合作中，福特发现以植物纤维为基础的复合材料能够很好地满足汽车制造商们对于材料在刚性、寿命、耐热性以及气味上的迫切需求。除了能够降低重量之外，与玻璃纤维相比，由CRP组成的组件的制造速度也能够提高20%-40%，并且制造过程耗费的能量也有所减少。这些在重量和制造流程上的节省可以等效为降低制造成本。

　　在研发过程中，困扰着福特工程师们的难题之一是材料的外表。在CRP材料的外表面，能够看到一些凸起的小颗粒。虽然这些颗粒不会影响材料的性能，但是这不会是林肯的客户想要看到的东西。因此，以CRP为材料制成的第一个成品是车身底板，然后被泡沫塑料和盖板覆盖了。当然，在下一代的产品中，这个问题已经得到了改进。

　　惠好公司对于CRP的称呼有所不同，他们管它叫THRIVE复合材料。在惠好看来，CRP只是将植物纤维与聚丙烯进行合成的产物。之所以选择聚丙烯是因为两者在溶体流动指数上十分接近，更易进行合成。然而植物纤维与很多不同种类的聚合物的兼容性都非常好，惠好的下一计划就是将合成物从聚丙烯扩展到一系列的碳氢化合物或非碳氢化合物的聚合物上。并借此，将这种复合材料的应用推行到其他行业和市场中。

　　为了提升材料的不同性能，惠好在两种材料的合成比例上与福特也有所不同。在发现这一点后，福特就把在内饰组件上具有相当强专业能力的江森自控拉入了合作团队。

　　CRP中的植物纤维是从木浆中提取出来的，与玻璃纤维或者自然形成的纤维如大麻纤维、i3使用的洋麻纤维相比，有着无法比拟的优势。

　　植物纤维与玻璃纤维、自然形成纤维的优势比较

　　目前福特使用的CRP中植物纤维的比例为20%，福特也在为20%和40%比例的聚合物开拓在其他方面的应用。

　　从目前的技术发展来看，不论是镁，还是CRP，都还没有达到Yves Serra的规模经济的标准，这些技术上的突破和进步还不足以让其成本降到可承受的范围内。这些实质性的进展更重大的意义是为接下来的研究指出了一个明确的方向。罗马不是一天建成的，技术也不可能一步到位，但是只要节能环保的大旗不倒，汽车制造商们对于极致性能的追求没有被泯灭，就终会有实现的一天。