用纳米铝实现车身超轻量化用纳米铝实现车身超轻量化 小组成员：王冬捷小组成员：王冬捷 凌镘晓凌镘晓 覃山福覃山福 汽车工业发展产量的增多，汽车工业发展产量的增多，汽车保有量的增多，在给人们汽车保有量的增多，在给人们出行带来了方便的同时也产生出行带来了方便的同时也产生了能耗、环境排放和安全了能耗、环境排放和安全3 3大大问题。问题。20082008年中国汽车总产量年中国汽车总产量达达934.5934.5万辆，汽车保有量万辆，汽车保有量64676467万辆；据预测，万辆；据预测，20202020年汽年汽车保有量将达到车保有量将达到1.51.5亿辆。汽亿辆。汽车的排放已是大中城市空气的车的排放已是大中城市空气的主要污染源，占污染份额超过主要污染源，占污染份额超过75%75%，如何提高汽车的节能减排水平？ 汽车是以内燃机为动力的交通工具汽车是以内燃机为动力的交通工具, ,之所以产之所以产生高能耗、高污染物排放生高能耗、高污染物排放, ,主要是油气的供应量主要是油气的供应量不够精确以及燃料燃烧不充分所造成的。不够精确以及燃料燃烧不充分所造成的。l提高发动机的综合性能提高发动机的综合性能l车身轻量化车身轻量化 l制动能量回收系统制动能量回收系统l新型燃料的开发利用新型燃料的开发利用l发展净化汽车尾气技术发展净化汽车尾气技术 汽车轻量化的技术内涵是：汽车轻量化的技术内涵是： 采用现代设计方法和有效手段对汽车产采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料在确保品进行优化设计，或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能降汽车综合性能指标的前提下，尽可能降低汽车产品自身重量，以达到减重、降低汽车产品自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标耗、环保、安全的综合指标。汽车轻量化绝非是简单地将其小型化。首先应汽车轻量化绝非是简单地将其小型化。首先应保持汽车原有的性能不受影响，既要有目标地保持汽车原有的性能不受影响，既要有目标地减轻汽车自身的重量，又要保证汽车行驶的安减轻汽车自身的重量，又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性，同时汽车本全性、耐撞性、抗振性及舒适性，同时汽车本身的造价不被提高，以免造成经济上的压力。身的造价不被提高，以免造成经济上的压力。ATTENTION!ATTENTION!车身轻量化的优点：车身轻量化的优点：l油耗显著降低油耗显著降低 汽车车身约占汽车总质量的汽车车身约占汽车总质量的3030，空载情况下，空载情况下，约约7070的油耗用在车身质量上。的油耗用在车身质量上。l效率升高效率升高 有关研究数据表明，若汽车整车质量降低有关研究数据表明，若汽车整车质量降低1010，燃油效率可提高燃油效率可提高6 68 8；若滚动阻力减少；若滚动阻力减少1010，燃油效率可提高，燃油效率可提高3 3；若车桥、变速器等机；若车桥、变速器等机构的传动效率提高构的传动效率提高l0l0，燃油效率可提高，燃油效率可提高7 7。l车辆操控稳定性和碰撞安全性的提升车辆操控稳定性和碰撞安全性的提升 车辆行驶时颠簸会因底盘重量减轻而减轻，整车辆行驶时颠簸会因底盘重量减轻而减轻，整个车身会更加稳定；轻量化材料对冲撞能量的个车身会更加稳定；轻量化材料对冲撞能量的吸收，又可以有效提高碰撞安全性。吸收，又可以有效提高碰撞安全性。汽车轻量化与材料密切相关汽车轻量化与材料密切相关 汽车轻量化要求一方面用高强度的材料，另汽车轻量化要求一方面用高强度的材料，另一方面要用轻质材料，即强重比较高的材一方面要用轻质材料，即强重比较高的材料，而且，它还必须在适于成型、耐腐性、料，而且，它还必须在适于成型、耐腐性、焊接、表面处理等方面都具有出色的性能。焊接、表面处理等方面都具有出色的性能。 目前研制开发高强度高韧性铝合金目前研制开发高强度高韧性铝合金, , 大致从以下几个大致从以下几个方面进行方面进行: :lAl - Cu - Mg (2000 Al - Cu - Mg (2000 系列系列) ) 合金合金: :以杜拉铝、超杜拉以杜拉铝、超杜拉铝著称的铝著称的20172017、2024 2024 铝合金，具有与钢材匹敌的强度。铝合金，具有与钢材匹敌的强度。但是因含了比较多的铜，而耐蚀性较差但是因含了比较多的铜，而耐蚀性较差lAl - Zn - Mg - Cu (7000 Al - Zn - Mg - Cu (7000 系列系列) ) 合金合金: :本系合金分为本系合金分为具有最高强度的具有最高强度的Al-Zn-Mg-CuAl-Zn-Mg-Cu合金、及不含铜溶接构造合金、及不含铜溶接构造用用Al-Zn-MgAl-Zn-Mg合金。合金。l Al - Mg - Al - Mg - SiSi (6000 (6000 系列系列) ) 合金合金铝基复合材料：铝基复合材料：本系合金具有良好的强度、及耐蚀性是构造用材料的本系合金具有良好的强度、及耐蚀性是构造用材料的代表性合金，但是溶接状态的接头强度比较低，通常代表性合金，但是溶接状态的接头强度比较低，通常焊铆钉、螺栓搭配使用。焊铆钉、螺栓搭配使用。铝合金铝合金铝合金在轿车上应用图示铝合金在轿车上应用图示Al - Mg - Al - Mg - SiSi 合金合金 Al-Mg-Al-Mg-SiSi 系合金密度低、耐腐蚀、焊合系合金密度低、耐腐蚀、焊合性好性好, ,具有良好的综合机械性能。在烤漆温度具有良好的综合机械性能。在烤漆温度160180160180并保持并保持20302030分钟时，合金的强分钟时，合金的强度会显著加强，这称为度会显著加强，这称为“烘烤硬化性（烘烤硬化性（Bake Bake Harding,BHHarding,BH性）性）”充分利用这种充分利用这种BHBH性，可以性，可以使车架材料进一步薄壳化。需要注意的是铝使车架材料进一步薄壳化。需要注意的是铝合金板与钢板相比合金板与钢板相比回弹回弹更大，因此在冲压成更大，因此在冲压成型时应尽量可能保持较低的耐力状态，也就型时应尽量可能保持较低的耐力状态，也就是尽量保持在较低的室温冲压成型。是尽量保持在较低的室温冲压成型。铝合金板材铝合金板材冲压成型冲压成型组装组装烤漆烤漆冲压成型性弯曲加工性，焊接/接合性BH性，防锈性汽汽车车架的制造工架的制造工艺汽车车架制造过程中的温度变化汽车车架制造过程中的温度变化铝合金板材铝合金板材融化处理融化处理汽车车架制汽车车架制造工艺流程造工艺流程温温度度制造工艺流程制造工艺流程淬火淬火放置室温中放置室温中冲压成型，冲压成型，组装组装烤漆烤漆汽车车架制造过程中的合金强度变化汽车车架制造过程中的合金强度变化铝合金板材铝合金板材汽车车架制汽车车架制造工艺流程造工艺流程铝铝合合金金强强度度淬火淬火放置室温中放置室温中冲压成型，冲压成型，组装组装烤漆烤漆纳米集合形成纳米集合形成加工硬化加工硬化析出强化析出强化（纳米析出相）（纳米析出相）制造工艺流程制造工艺流程放置室温时，其BH性无法充分显现，影响到材料特性的参差不齐与强度不足。这样的现象可能与铝合金中原子的集合体（纳米集合体，大小约为12个纳米）形成有关。上图为上图为Al-CuAl-Cu合金中纳米集合体形成过程的模拟图，合金中纳米集合体形成过程的模拟图，图中图中A1A1原子没有表示出来，只显示了原子没有表示出来，只显示了CuCu原子和原子间原子和原子间的空孔。的空孔。CuCu原了最初足随机无序地散乱分布的，随着原了最初足随机无序地散乱分布的，随着时间经过它迅速聚合成微小的纳米集合体时间经过它迅速聚合成微小的纳米集合体(b)(b)及及(c)(c)。只要添加进极少量的其他元素只要添加进极少量的其他元素( (超微合铸超微合铸) )，就可以大，就可以大大影响其成型过程和分散状态。大影响其成型过程和分散状态。另一方面，延展性和成型性很大程度上受到结晶粒的大小、粒界构造组织的影响。金属多是多结晶体（由复数结晶聚合而成）结晶与结晶间存在分界，这一分界称为结晶粒的粒界，它对金属的形状变化或强度产生影响，特别是粒界附近没有析出物的领域即无析出带（PFZ）的影响效果更大。对于PFZ的形成、控制，一般认为纳米集合体起了很大作用。无析出带（无析出带（PFZPFZ）纳米铝合金就是通过纳米工艺制造出的、具有全新概念内部组织的一种纳米多晶合金。纳米多晶合金是指结晶粒内将复数的形状和构造各不相同的纳米析出物（超微析出物）进行分散，同时对PFZ的幅度及纳米析出物的形态进行控制，而制备出的复合组织。 如果能够成功地在纳米水平实现铝合金内部如果能够成功地在纳米水平实现铝合金内部组织的最合理化，从而制备出纳米多晶材料，组织的最合理化，从而制备出纳米多晶材料，那么铝合金材料将作为各种汽车板材，在车那么铝合金材料将作为各种汽车板材，在车架、挡泥板、顶盖、前后车门等方面扩大其架、挡泥板、顶盖、前后车门等方面扩大其应用范围，这对于提高汽车的燃料效率、显应用范围，这对于提高汽车的燃料效率、显著减少废气排出、实现汽车的轻量化具有重著减少废气排出、实现汽车的轻量化具有重大的意义。由于纳米多晶合金实现了高大的意义。由于纳米多晶合金实现了高BH性性以及高成型性，具备了汽车板材所应有的突以及高成型性，具备了汽车板材所应有的突出性能，因此作为更轻、强度更高、成型性出性能，因此作为更轻、强度更高、成型性更好的新型合金材料更好的新型合金材料.必将为汽车超轻量车身必将为汽车超轻量车身的实现而作出贡献。的实现而作出贡献。