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汽车作为20世纪人类文明的成果，迄今已有百余年历史，日益成为人类生活中不可或缺的组成部分。汽车产业的巨大革命无一不与材料的发展密切相关，从木质材料、钢铁材料到各种新材料的应用；相应地，汽车产业的飞速发展，也有力带动了以材料制造为主的一大批相关产业群体的崛起和前进。
近年来，能源环保问题日益凸显，可持续发展已成为各界的共识。如何使汽车在人和自然之间达到和谐与平衡，成为材料界关注的焦点。一方面，低能耗、低排放的新型节能环保型汽车将与环境更加协调；另一方面，汽车的安全性、舒适性和智能化程度将会更高。“绿色化”和“人性化”成为汽车未来的发展方向，这些都为汽车用材料提供了更加广阔的发展空间。
1、 汽车材料的发展
材料的发展与汽车工业的发展是息息相关的，汽车材料是汽车品质的基础，在整个汽车产业中具有重要的地位。“汽车发展，材料先行”，可以说，汽车技术的发展在很大程度上越来越取决于汽车材料的进步。
1.1、 钢铁材料在汽车工业中保持主导地位
最初的汽车用材料以木质为主，但由于其自身的弱点，很快便让位于性能更好的钢铁材料。钢铁材料具有强度高、易加工、抗冲击性好等优点，尤其是随着钢铁在工业中的大规模应用，其成本不断降低，钢铁材料逐渐在汽车材料领域占据了主导地位，其使用总量一直保持在50%以上。
1.2、 新材料的应用推动节能环保型汽车的发展
20世纪末期，能源问题逐渐受到各方的关注，面对日益短缺的常规能源，作为能源消耗大户的汽车工业也开始作出相应的调整，节能型汽车成为发展的主流。其中，对汽车轻量化的要求最为突出，通过使用其他轻质材料有针对性地替代传统的钢铁材料，有效减轻汽车自重，可以达到节省燃料的目的。世界铝业协会的报告指出：汽车所用燃料约60%消耗于汽车自重，车质量每减轻10%，可降低油耗6%-8%。有测试表明：汽车质量每减少1kg，1L汽油可多跑1.1m[1]。近20多年来，汽车材料构成有了明显的变化，轻质金属、合成塑料、陶瓷以及各种复合材料被越来越广泛地应用在汽车上，汽车的质量越来越轻，满足了节能化的需要，这也是汽车发展的一个重要方向。需要指出的是，汽车材料的使用并不总是着眼于降低零部件的质量。像悬挂臂，铝的使用增长不多，人们还是倾向于使用钢铁材料；在轮毂材料方面，1995年以来，铝的使用略微下降，原因是新兴的小型卡车大量使用复合钢；而保险杠的发展完全与轻型化趋势相反：1995年铝和塑料的使用占45%，到2001年这一比率只有20%，这是因为钢的抗冲击性明显强于铝和塑料，更适合于作为保险杠材料。轻型零部件的应用一直呈增长势头，但并不是所有的零部件都是如此，关键是对于特定的零部件选用最适合的材料[2]。
环境保护是另一个日益受到重视的问题，汽车节能降耗的要求不断高涨，环保法规日趋严格。低尾气排放量甚至零排放量的环保型汽车是发展的方向。各大汽车制造商正在努力将电动混合燃油汽车推向市场，这一方面要求在结构材料上使用更轻的材料，另一方面则要求在实用化动力电池用材料方面有所突破，而未来完全由电池动力驱动的电动汽车将对材料提出更高的要求。此外，汽车用材料的可回收性也成为考虑的一个重要问题。
1.3、 汽车用功能材料趋向智能化
值得提出的一点是，除了节能环保化以外，汽车用功能材料的一个重要发展方向是智能化，通过材料与器件一体化，从而可以实现某种“自动化”的调节功能，因而也被称为“智能化材料”。在汽车中，这类智能化材料已经开始应用，并通过与电子技术相结合，对改善汽车安全性和舒适性效果显著。
总体而言，材料产业的发展与汽车产业的发展是相辅相成的。一方面，随着汽车产业的发展，不同领域不同用户对汽车的要求也呈现多样化发展的趋势，这使得汽车用材料的需求范围大大扩展了，各种各样的新材料有了大显身手的机会。另一方面，各种汽车用材料将充分展示其各自的优势，“八仙过海，各显其能”，在竞争中求发展，在满足汽车使用要求的同时，进一步推动汽车产业的前进。
2、 新材料在汽车领域的应用
2.1、 轻质结构材料
在环境和能源问题日益受到重视的今天，各种节省能源的新技术都受到了各大汽车制造商的关注。其中“汽车轻量化”是一个很重要的发展趋势，通过减轻汽车车体质量来达到节省燃料的目的，效果明显，被人们称为汽车的“快速减肥术”。实践证明，采用轻质材料制造汽车是降低汽车质量最有效的途径和手段，铝合金、镁合金、塑料和复合材料等各种轻质材料在汽车中的应用越来越广泛，它们与汽车用钢的竞争日趋激烈。
2.1.1、 高强度钢
面对铝、镁等轻质合金材料在汽车减重方面发起的挑战，各大钢铁企业迅速采取行动，开发高强度钢材料。1994年，国际钢铁协会联合来自18个国家的35家国际著名钢铁企业开展了超轻钢汽车车身项目(ULSAB)。此后，在1998年开始实施“先进汽车概念”项目(ULSAB-AVC)，研究开发新一代钢铁材料。这类先进高强度钢(AHSS)是多相钢，组织中含有马氏体、贝氏体以及足以产生独特力学性能的残余奥氏体，因此，既有高强度，又有良好的成型性，这主要是因为其屈强比低，从而具有较高的应变硬化能力[3]。
在充分利用现有设备条件的情况下，通过采用新的技术和处理工艺，可以生产出综合性能更佳的高强度钢，在满足汽车使用要求的同时，可以减少材料的使用量。这意味着可以不用求助于其它材料而达到减轻汽车质量的目的，因而在控制汽车生产成本方面具有一定的优势。
钢铁材料强度高、塑性好、抗冲击性强、价格低，非常适用于汽车制造。因此，尽管有来自其他材料的竞争，钢铁在未来30年仍将是汽车工业中最主要的材料。此外，钢铁回收后本身性能不受到损害，而且有一个成熟的废旧钢材回收和处理网络，是回收率最高的金属材料，这对报废汽车产生的大量工业垃圾进行回收再利用颇有意义[2]。在汽车用普通钢用量不断下降的同时，高强度钢和超高强度钢的用量则高速增长，在汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上的应用不断扩展。从1997年到1999年，高强度钢在汽车上的用量增加了162%，未来将取代现有的传统钢铁材料[4]。
2.1.2 、轻质金属材料
不同类型的汽车选用的材料有所不同，但“汽车轻量化”的总体趋势是一样的。以轿车为例，其轻量化的需求比载货汽车更为迫切：20世纪80年代轿车上钢铁材料的比例为70%，90年代下降到60%，2000年为50%左右，其主要原因是使用了较多的轻质材料[5]。由此可见，使用轻质金属材料(铝、镁、钛)代替钢铁，是减轻汽车质量的有效手段。
(1)铝合金
铝是最早用于汽车制造的轻质金属材料，也是工程材料中最经济实用、最有竞争力的汽车用轻金属材料，其优缺点及其在汽车上的用途见表1。从生产成本、零件质量、材料利用率等方面看，铝合金具有多种优势：
● 铝的密度小(2.7g/cm3)，仅为钢铁的1/3左右。用铝合金代替传统钢铁用于汽车制造，可使整车质量减小30%~40%，减重效果明显。
● 铝是储量最高的金属，资源丰富，铝的产量仅次于钢铁，居第二位。
● 铝的回收率高，仅次于钢铁，目前可达85%，预计2010年可达到90%，符合环保要求[5]。
● 铝的塑性好，易承受各种压力加工，可获得任何要求的色彩和花纹，铸、锻、冲工艺均适用，可采用多种铸造工艺生产零件，最适合汽车生产中广泛应用的压力铸造。
● 铝具有高导电导热性和耐蚀性，导电率约为铜的2倍，导热性几乎比铁大3倍，属非铁磁性金属，不打火花，无毒，对辐射能有强反射能力。
铝合金材料虽然比钢材贵一些，但质量要轻得多。汽车用铝合金材料的3/4为铸造铝合金，主要是发动机部件(如缸盖、缸体、活塞等)，传动系部件(如变速器壳、离合器壳等)，底盘行走系零部件(如转向机壳、车轮、上/下臂、制动钳等)。变形铝合金主要用于热交换器系统(如各种散热器、中冷器、空调冷凝器和蒸发器等)，车身系部件(如发动机罩、车体框架、行李箱盖等)。预计10年内95%的气缸盖和50%的轿车发动机气缸体将用铝合金制造，轻型货车目标分别达到60%和25%[5]。
根据Ducker研究所的数据，2002年在每辆汽车中各零部件的用铝量如表2所示：
从20世纪末开始，全球汽车制造厂商与各大铝厂开始联合，逐年增加汽车的用铝量，目标是到2005年将每辆汽车的平均用铝量提高到140kg。据预测，欧洲制造的汽车平均每车用铝量将由2002年的95kg增加到2005年的119kg，而美国制造的汽车平均每车用铝量将由2002年的124kg增加到2005年的超过130kg。2000年全球汽车用铝量约为700万t，预计2005年将达到900万t。据估算，这将使汽车业每年减少600万t钢的消费[7]。
(2)镁合金
镁是目前工业上应用最轻的金属，在汽车排放法规日趋严格、节能降耗更为迫切的今天，比铝合金更轻的镁合金材料越来越受到汽车业的关注。镁合金汽车零件的优点如下：
● 质量轻，密度1.74g/cm3，仅为钢铁的2/9，铝的2/3左右，用于汽车的减重效果明显。汽车使用镁合金材料可在铝合金减重的基础上再减轻15%~20%。
● 储量丰富，在金属中仅次于铝、铁，居第三位。2000年全球镁产量42万t，全球镁消费量为40万t[8]。
● 具有较高的强度和刚度，比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷。
● 具有良好的铸造性和尺寸稳定性，易成型，易加工，废品率低，从而降低了生产成本。
● 减振降噪性能优于铝合金和铸铁，提高汽车的安全性和舒适性。
● 回收利用率高达85%以上，回收利用的费用仅为相应新材料价格的4%左右[5]。
汽车用镁合金材料多以压铸件为主，一类是非结构铸件，不需要承受大的冲击，但要求部件的尺寸精确、密封性好，主要包括变速箱、气阀/凸轮罩盖、离合器壳、电动机/发电机罩、进气歧管和油底壳等。另一类是结构铸件，要承受特定的载荷，而且要求具有一定的抗冲击能力，主要包括方向盘、仪表板、座椅、车门框架、制动/离合器支架、转向柱部件和安全气囊座等[9]。目前汽车用镁合金压铸零部件至少已超过60种，具体情况如表3所示[10]。
据国际镁材料学会(IMA)统计，1991年，全球镁压铸件的需求量仅为2万多t，至2000年大幅度上升到11.5万t，增长4.75倍，年均增长22%。据IMA的预测，至2005年，全世界对镁压铸件的需求量将增加到17.75万t，每年平均增长9.1%[11]。
各大汽车制造商对镁合金寄予了很大希望，纷纷与镁材料生产商联合，如美国通用汽车公司与世界最大的镁供应商NORSK HYDRO公司达成了长期合作协议，而德国大众公司则持有死海镁业公司1/3的股份。从20世纪90年代开始，欧美、日本、韩国的各大汽车商逐渐开始使用镁合金零部件：北美三大汽车制造厂商正联合推动新型汽车计划，目标是2000年以后中型车的百公里耗油达到3L以下。2000年末，由美国三大汽车公司和联邦政府组成的美国汽车研究委员会(USCAR)着手进行镁合金在汽车上应用的项目，研究的焦点集中在中高强度的汽车底盘结构上，如发动机支架和后支柱[12]。
随着全球汽车轻量化趋势的深入发展，汽车制造业对镁的需求量不断增加，未来这一发展势头仍将保持下去，汽车用镁正以年增20%的速度迅速发展。1997年，全球10大汽车公司的用镁量为4.5万t，到2000年猛增到9万t，其中尤以福特公司和通用汽车公司的镁合金用量最大[13]。目前，镁合金在全球汽车工业中用量的年均增长率一直保持在15%以上，预计这一增长趋势至少会持续到2010年以后[14]。
(3)钛合金
在汽车用轻质金属材料中，钛的强度大大高于其他材料，而钛合金可以达到与合金钢相当的高强度，因此历来受到汽车工业的极大关注。特别是在一些恶劣的工作条件下，铝、镁合金材料无法满足汽车的性能要求，钛合金将是取代钢铁的最佳轻量化材料，其主要优点如下：
● 钛的密度4.5g/cm3，仅为钢的58%。
● 钛资源丰富，地壳中金属蕴藏量仅次于铝、铁和镁，居第四位。
● 强度高，与钢相当，密度较低，因而比强度很高。
● 耐腐蚀、抗氧化性强，高、低温性能好。
另一方面，钛合金材料价格高，加工条件复杂，极大限制了钛合金在汽车上的应用。汽车行业一直在寻找适合的廉价合金元素，以获得经济型钛合金，并通过改进加工工艺降低钛合金零件的制造成本。
目前，汽车上高温高负荷并要求抗氧化腐蚀的零件都用钢材制造，这些零部件如果选用高强钛合金材料，可以在保证汽车使用性能的基础上，达到较好的减重效果。高强耐热钛合金可用于制造发动机配气系、曲轴连杆机构和底盘零件，如气门、气门弹簧、凸轮轴、连杆、涡轮转子和紧固件等。钛合金连杆比相同钢件轻30%，运动惯性小，转速高，有很好的综合使用性能；钛合金气阀弹簧质轻负荷小，可降低机械摩擦，改善凸轮轴工作条件，提高燃料效率；钛合金气门和阀座可减轻质量40%，使气门系统的运动惯性降低。此外，钛合金板材和管材还可用作消音器及车轮[15]。
钛合金材料的应用范围已从赛车逐渐扩大到批量生产的轿车。美国在其新一代汽车研究计划中指出：钛在汽车上的可能应用主要分布在发动机零件和底盘部件上，每辆汽车仅底盘部件的潜在用钛量就可达9.9kg。由于汽车用钛合金零部件的出色性能，发达国家的汽车用钛量持续增长，1995年，全球汽车领域用钛量只有100t，而2002年则超过了1000t，预计今后5年将可能达到5000t[16]。随着材料技术的进步，钛合金材料的生产和加工成本将不断降低，有望在汽车领域得到更大的应用。
2.1.3、 塑料
塑料质量轻，耐腐蚀，成型工艺简单，而其低廉的价格更具有显著的优势。当前在汽车工业领域已大量使用塑料以代替各种昂贵的有色金属和合金钢材料，提高了汽车造型的美观与设计的灵活性，降低了零部件加工、装配与维修的费用，同时降低了汽车质量，减少了汽车的使用能耗。汽车的塑料化程度已成为衡量汽车工业发展水平的标志之一。
汽车的轻量化趋势加快了塑料在汽车领域的应用，油箱、水箱、发动机盖等组件越来越多地使用塑料，而汽车的内饰化则加快了汽车塑料化的进程。此外，汽车的高科技化诸如防撞系统、导航系统、安全气囊等的应用使塑料在汽车上的应用范围日益广阔，如表4所示[17]。
在汽车用塑料中，聚丙烯(PP)逐渐成为用量最大的品种，在欧洲、美国和日本的汽车用塑料中都居首位。聚丙烯(PP)材料密度小，易成型，耐热性和耐化学腐蚀性强，尤其是近年来，随着共聚、合金化、共混、复合、动态硫化等改性技术的发展，高流动性、超高韧性、高刚性、高耐热等各种高性能PP相继问世，PP作为一种重要的新型结构材料，在汽车上的应用越来越广泛，用以替代较为昂贵的工程塑料[18]。此外，出于对环保和便于回收循环使用的考虑，汽车工业更强调使用互相兼容的塑料，车用塑料的种类趋向统一化，而PP利于回收再利用，而且综合性能/价格比高，逐渐成为汽车用塑料的主导产品。
汽车用PP零部件主要有保险杠、仪表板、门内饰板、空调系统部件、蓄电池外壳等，这5种应用占全车PP用量的一半以上，其他应用还包括冷却风扇、方向盘、各种壳体等。据报道，现在每辆汽车可以用100kg PP材料替代200kg~300kg其他材料，相应地在15万km的平均寿命里程中可以减少燃料消耗750L[7]。日本的车用塑料以PP为主，90年代末单车平均PP用量已增加到37kg，在所用塑料中的比例为37%；PP也是美国汽车用塑料消费量最大的品种，约占20%，目前单车PP用量为24kg，正以15%的速度增长；欧洲汽车用塑料也以PP占首位，其用量占塑料总量的28.1%，目前正以10%速度增长。据预测，五年内全世界汽车PP用量将增长50%[19~21]。
除聚丙烯(PP)以外，聚乙烯(PE)类塑料的用量增长也很快，PVC由于部分被其它材料所替代而用量增长放缓，而ABS由于受其他替代材料的影响，用量呈微降趋势。
总体而言，汽车用塑料无论在用量还是品种上都呈快速增长趋势。以普通轿车为例，80年代，每辆轿车用塑料为50kg~60kg，占整车质量的5%~6%；90年代初，每辆轿车塑料的平均用量为100kg~130kg，占整车质量的7%~10%；而到2000年，这一比例已增至20%左右。预计未来汽车塑料用量将以年均10%左右的速度增长[22]。
参考文献：
[1] Joseph C,Benedyk. Light Metals in Automotive Applications[J]. Light Metal Age, 2000（10）: 34~35
[2] 适应变化的选择.汽车用材料，Materials Technology, Volume1/16,2001
[3] 敖炳秋.轻量化汽车材料技术的最新动态.汽车工艺与材料，2002(08/09)，1~21
[4] Jean L,Broge. The Battle of The Metals[J].Automotive Engineering International, 2000（8）
[5] 袁序弟.轻金属材料在汽车上的应用.新材料产业，2002(10)，21~25
[6] 铝制汽车零部件增加.[EB/OL].http://www.chinaproducts.com.cn/news2/content/contf7404.phtml
[7] 张译中.国外汽车用非钢材料的开发及应用.新材料产业，2002(10):14~18
[8] 陈远望.国外镁生产形势近况.世界有色金属，2003(3):52~55
[9] Roderick J.Esdaile.Magnesium Casting Application in the Automotive Industry[P], SAE-2001-01-0415
[10] 镁产业市场需要分析.中国高新技术产业导报·新材料周刊,2002,1,23
[11] 汽车对镁胃口大开.中国有色金属报，2002,8（4）
[12] Gerald Cole. Magnesium Research Sponsored by EUCAR in Europe and USCAR in North America [R]. Papers of Sinomag Die Casting Magnesium Seminar, Beijing: 2000,（10）
[13] 张珣.镁合金产业的现状与发展.世界有色金属，2002,(9)
[14] 吕宜振等.镁合金在汽车上的应用现状及发展趋势[J].材料导报，2000(12)：57~60
[15] 张琦.国外最新汽车用金属材料的发展趋热[J].汽车材料信息,2000（6）:1~8
[16] 杨世杰等.钛在汽车上的应用与展望.汽车工艺与材料，2002,(08/09):44~46
[17] 吴德峰等.塑料在汽车工业中的应用.新材料产业，2001(9):18~21
[18] 李馥梅.汽车零部件用聚丙烯塑料的开发.塑料科技，2002(6):60~65
[19] 姜胜军等.我国汽车用PP材料现状及发展〔J〕.合成树脂及塑料，1999，16（3）:3
[20] 黄畏隆.改性聚丙烯塑料在汽车工业中的应用〔J〕.现代塑料加工应用，1993，26（12）:3
[21] 段德晶等.聚丙烯在汽车制造业中的应用〔J〕.现代塑料加工应用，2000，12（5）:48
[22] 邹盛欧.汽车用塑料的市场与开发应用〔J〕.化工新型材料，1998，（1）:3
近年来，能源环保问题日益凸显，可持续发展已成为各界的共识。如何使汽车在人和自然之间达到和谐与平衡，成为材料界关注的焦点。一方面，低能耗、低排放的新型节能环保型汽车将与环境更加协调；另一方面，汽车的安全性、舒适性和智能化程度将会更高。“绿色化”和“人性化”成为汽车未来的发展方向，这些都为汽车用材料提供了更加广阔的发展空间。
1、 汽车材料的发展
材料的发展与汽车工业的发展是息息相关的，汽车材料是汽车品质的基础，在整个汽车产业中具有重要的地位。“汽车发展，材料先行”，可以说，汽车技术的发展在很大程度上越来越取决于汽车材料的进步。
1.1、 钢铁材料在汽车工业中保持主导地位
最初的汽车用材料以木质为主，但由于其自身的弱点，很快便让位于性能更好的钢铁材料。钢铁材料具有强度高、易加工、抗冲击性好等优点，尤其是随着钢铁在工业中的大规模应用，其成本不断降低，钢铁材料逐渐在汽车材料领域占据了主导地位，其使用总量一直保持在50%以上。
1.2、 新材料的应用推动节能环保型汽车的发展
20世纪末期，能源问题逐渐受到各方的关注，面对日益短缺的常规能源，作为能源消耗大户的汽车工业也开始作出相应的调整，节能型汽车成为发展的主流。其中，对汽车轻量化的要求最为突出，通过使用其他轻质材料有针对性地替代传统的钢铁材料，有效减轻汽车自重，可以达到节省燃料的目的。世界铝业协会的报告指出：汽车所用燃料约60%消耗于汽车自重，车质量每减轻10%，可降低油耗6%-8%。有测试表明：汽车质量每减少1kg，1L汽油可多跑1.1m[1]。近20多年来，汽车材料构成有了明显的变化，轻质金属、合成塑料、陶瓷以及各种复合材料被越来越广泛地应用在汽车上，汽车的质量越来越轻，满足了节能化的需要，这也是汽车发展的一个重要方向。需要指出的是，汽车材料的使用并不总是着眼于降低零部件的质量。像悬挂臂，铝的使用增长不多，人们还是倾向于使用钢铁材料；在轮毂材料方面，1995年以来，铝的使用略微下降，原因是新兴的小型卡车大量使用复合钢；而保险杠的发展完全与轻型化趋势相反：1995年铝和塑料的使用占45%，到2001年这一比率只有20%，这是因为钢的抗冲击性明显强于铝和塑料，更适合于作为保险杠材料。轻型零部件的应用一直呈增长势头，但并不是所有的零部件都是如此，关键是对于特定的零部件选用最适合的材料[2]。
环境保护是另一个日益受到重视的问题，汽车节能降耗的要求不断高涨，环保法规日趋严格。低尾气排放量甚至零排放量的环保型汽车是发展的方向。各大汽车制造商正在努力将电动混合燃油汽车推向市场，这一方面要求在结构材料上使用更轻的材料，另一方面则要求在实用化动力电池用材料方面有所突破，而未来完全由电池动力驱动的电动汽车将对材料提出更高的要求。此外，汽车用材料的可回收性也成为考虑的一个重要问题。
1.3、 汽车用功能材料趋向智能化
值得提出的一点是，除了节能环保化以外，汽车用功能材料的一个重要发展方向是智能化，通过材料与器件一体化，从而可以实现某种“自动化”的调节功能，因而也被称为“智能化材料”。在汽车中，这类智能化材料已经开始应用，并通过与电子技术相结合，对改善汽车安全性和舒适性效果显著。
总体而言，材料产业的发展与汽车产业的发展是相辅相成的。一方面，随着汽车产业的发展，不同领域不同用户对汽车的要求也呈现多样化发展的趋势，这使得汽车用材料的需求范围大大扩展了，各种各样的新材料有了大显身手的机会。另一方面，各种汽车用材料将充分展示其各自的优势，“八仙过海，各显其能”，在竞争中求发展，在满足汽车使用要求的同时，进一步推动汽车产业的前进。
2、 新材料在汽车领域的应用
2.1、 轻质结构材料
在环境和能源问题日益受到重视的今天，各种节省能源的新技术都受到了各大汽车制造商的关注。其中“汽车轻量化”是一个很重要的发展趋势，通过减轻汽车车体质量来达到节省燃料的目的，效果明显，被人们称为汽车的“快速减肥术”。实践证明，采用轻质材料制造汽车是降低汽车质量最有效的途径和手段，铝合金、镁合金、塑料和复合材料等各种轻质材料在汽车中的应用越来越广泛，它们与汽车用钢的竞争日趋激烈。
2.1.1、 高强度钢
面对铝、镁等轻质合金材料在汽车减重方面发起的挑战，各大钢铁企业迅速采取行动，开发高强度钢材料。1994年，国际钢铁协会联合来自18个国家的35家国际著名钢铁企业开展了超轻钢汽车车身项目(ULSAB)。此后，在1998年开始实施“先进汽车概念”项目(ULSAB-AVC)，研究开发新一代钢铁材料。这类先进高强度钢(AHSS)是多相钢，组织中含有马氏体、贝氏体以及足以产生独特力学性能的残余奥氏体，因此，既有高强度，又有良好的成型性，这主要是因为其屈强比低，从而具有较高的应变硬化能力[3]。
在充分利用现有设备条件的情况下，通过采用新的技术和处理工艺，可以生产出综合性能更佳的高强度钢，在满足汽车使用要求的同时，可以减少材料的使用量。这意味着可以不用求助于其它材料而达到减轻汽车质量的目的，因而在控制汽车生产成本方面具有一定的优势。
钢铁材料强度高、塑性好、抗冲击性强、价格低，非常适用于汽车制造。因此，尽管有来自其他材料的竞争，钢铁在未来30年仍将是汽车工业中最主要的材料。此外，钢铁回收后本身性能不受到损害，而且有一个成熟的废旧钢材回收和处理网络，是回收率最高的金属材料，这对报废汽车产生的大量工业垃圾进行回收再利用颇有意义[2]。在汽车用普通钢用量不断下降的同时，高强度钢和超高强度钢的用量则高速增长，在汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上的应用不断扩展。从1997年到1999年，高强度钢在汽车上的用量增加了162%，未来将取代现有的传统钢铁材料[4]。
2.1.2 、轻质金属材料
不同类型的汽车选用的材料有所不同，但“汽车轻量化”的总体趋势是一样的。以轿车为例，其轻量化的需求比载货汽车更为迫切：20世纪80年代轿车上钢铁材料的比例为70%，90年代下降到60%，2000年为50%左右，其主要原因是使用了较多的轻质材料[5]。由此可见，使用轻质金属材料(铝、镁、钛)代替钢铁，是减轻汽车质量的有效手段。
(1)铝合金
铝是最早用于汽车制造的轻质金属材料，也是工程材料中最经济实用、最有竞争力的汽车用轻金属材料，其优缺点及其在汽车上的用途见表1。从生产成本、零件质量、材料利用率等方面看，铝合金具有多种优势：
● 铝的密度小(2.7g/cm3)，仅为钢铁的1/3左右。用铝合金代替传统钢铁用于汽车制造，可使整车质量减小30%~40%，减重效果明显。
● 铝是储量最高的金属，资源丰富，铝的产量仅次于钢铁，居第二位。
● 铝的回收率高，仅次于钢铁，目前可达85%，预计2010年可达到90%，符合环保要求[5]。
● 铝的塑性好，易承受各种压力加工，可获得任何要求的色彩和花纹，铸、锻、冲工艺均适用，可采用多种铸造工艺生产零件，最适合汽车生产中广泛应用的压力铸造。
● 铝具有高导电导热性和耐蚀性，导电率约为铜的2倍，导热性几乎比铁大3倍，属非铁磁性金属，不打火花，无毒，对辐射能有强反射能力。
铝合金材料虽然比钢材贵一些，但质量要轻得多。汽车用铝合金材料的3/4为铸造铝合金，主要是发动机部件(如缸盖、缸体、活塞等)，传动系部件(如变速器壳、离合器壳等)，底盘行走系零部件(如转向机壳、车轮、上/下臂、制动钳等)。变形铝合金主要用于热交换器系统(如各种散热器、中冷器、空调冷凝器和蒸发器等)，车身系部件(如发动机罩、车体框架、行李箱盖等)。预计10年内95%的气缸盖和50%的轿车发动机气缸体将用铝合金制造，轻型货车目标分别达到60%和25%[5]。
根据Ducker研究所的数据，2002年在每辆汽车中各零部件的用铝量如表2所示：
从20世纪末开始，全球汽车制造厂商与各大铝厂开始联合，逐年增加汽车的用铝量，目标是到2005年将每辆汽车的平均用铝量提高到140kg。据预测，欧洲制造的汽车平均每车用铝量将由2002年的95kg增加到2005年的119kg，而美国制造的汽车平均每车用铝量将由2002年的124kg增加到2005年的超过130kg。2000年全球汽车用铝量约为700万t，预计2005年将达到900万t。据估算，这将使汽车业每年减少600万t钢的消费[7]。
(2)镁合金
镁是目前工业上应用最轻的金属，在汽车排放法规日趋严格、节能降耗更为迫切的今天，比铝合金更轻的镁合金材料越来越受到汽车业的关注。镁合金汽车零件的优点如下：
● 质量轻，密度1.74g/cm3，仅为钢铁的2/9，铝的2/3左右，用于汽车的减重效果明显。汽车使用镁合金材料可在铝合金减重的基础上再减轻15%~20%。
● 储量丰富，在金属中仅次于铝、铁，居第三位。2000年全球镁产量42万t，全球镁消费量为40万t[8]。
● 具有较高的强度和刚度，比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷。
● 具有良好的铸造性和尺寸稳定性，易成型，易加工，废品率低，从而降低了生产成本。
● 减振降噪性能优于铝合金和铸铁，提高汽车的安全性和舒适性。
● 回收利用率高达85%以上，回收利用的费用仅为相应新材料价格的4%左右[5]。
汽车用镁合金材料多以压铸件为主，一类是非结构铸件，不需要承受大的冲击，但要求部件的尺寸精确、密封性好，主要包括变速箱、气阀/凸轮罩盖、离合器壳、电动机/发电机罩、进气歧管和油底壳等。另一类是结构铸件，要承受特定的载荷，而且要求具有一定的抗冲击能力，主要包括方向盘、仪表板、座椅、车门框架、制动/离合器支架、转向柱部件和安全气囊座等[9]。目前汽车用镁合金压铸零部件至少已超过60种，具体情况如表3所示[10]。
据国际镁材料学会(IMA)统计，1991年，全球镁压铸件的需求量仅为2万多t，至2000年大幅度上升到11.5万t，增长4.75倍，年均增长22%。据IMA的预测，至2005年，全世界对镁压铸件的需求量将增加到17.75万t，每年平均增长9.1%[11]。
各大汽车制造商对镁合金寄予了很大希望，纷纷与镁材料生产商联合，如美国通用汽车公司与世界最大的镁供应商NORSK HYDRO公司达成了长期合作协议，而德国大众公司则持有死海镁业公司1/3的股份。从20世纪90年代开始，欧美、日本、韩国的各大汽车商逐渐开始使用镁合金零部件：北美三大汽车制造厂商正联合推动新型汽车计划，目标是2000年以后中型车的百公里耗油达到3L以下。2000年末，由美国三大汽车公司和联邦政府组成的美国汽车研究委员会(USCAR)着手进行镁合金在汽车上应用的项目，研究的焦点集中在中高强度的汽车底盘结构上，如发动机支架和后支柱[12]。
随着全球汽车轻量化趋势的深入发展，汽车制造业对镁的需求量不断增加，未来这一发展势头仍将保持下去，汽车用镁正以年增20%的速度迅速发展。1997年，全球10大汽车公司的用镁量为4.5万t，到2000年猛增到9万t，其中尤以福特公司和通用汽车公司的镁合金用量最大[13]。目前，镁合金在全球汽车工业中用量的年均增长率一直保持在15%以上，预计这一增长趋势至少会持续到2010年以后[14]。
(3)钛合金
在汽车用轻质金属材料中，钛的强度大大高于其他材料，而钛合金可以达到与合金钢相当的高强度，因此历来受到汽车工业的极大关注。特别是在一些恶劣的工作条件下，铝、镁合金材料无法满足汽车的性能要求，钛合金将是取代钢铁的最佳轻量化材料，其主要优点如下：
● 钛的密度4.5g/cm3，仅为钢的58%。
● 钛资源丰富，地壳中金属蕴藏量仅次于铝、铁和镁，居第四位。
● 强度高，与钢相当，密度较低，因而比强度很高。
● 耐腐蚀、抗氧化性强，高、低温性能好。
另一方面，钛合金材料价格高，加工条件复杂，极大限制了钛合金在汽车上的应用。汽车行业一直在寻找适合的廉价合金元素，以获得经济型钛合金，并通过改进加工工艺降低钛合金零件的制造成本。
目前，汽车上高温高负荷并要求抗氧化腐蚀的零件都用钢材制造，这些零部件如果选用高强钛合金材料，可以在保证汽车使用性能的基础上，达到较好的减重效果。高强耐热钛合金可用于制造发动机配气系、曲轴连杆机构和底盘零件，如气门、气门弹簧、凸轮轴、连杆、涡轮转子和紧固件等。钛合金连杆比相同钢件轻30%，运动惯性小，转速高，有很好的综合使用性能；钛合金气阀弹簧质轻负荷小，可降低机械摩擦，改善凸轮轴工作条件，提高燃料效率；钛合金气门和阀座可减轻质量40%，使气门系统的运动惯性降低。此外，钛合金板材和管材还可用作消音器及车轮[15]。
钛合金材料的应用范围已从赛车逐渐扩大到批量生产的轿车。美国在其新一代汽车研究计划中指出：钛在汽车上的可能应用主要分布在发动机零件和底盘部件上，每辆汽车仅底盘部件的潜在用钛量就可达9.9kg。由于汽车用钛合金零部件的出色性能，发达国家的汽车用钛量持续增长，1995年，全球汽车领域用钛量只有100t，而2002年则超过了1000t，预计今后5年将可能达到5000t[16]。随着材料技术的进步，钛合金材料的生产和加工成本将不断降低，有望在汽车领域得到更大的应用。
2.1.3、 塑料
塑料质量轻，耐腐蚀，成型工艺简单，而其低廉的价格更具有显著的优势。当前在汽车工业领域已大量使用塑料以代替各种昂贵的有色金属和合金钢材料，提高了汽车造型的美观与设计的灵活性，降低了零部件加工、装配与维修的费用，同时降低了汽车质量，减少了汽车的使用能耗。汽车的塑料化程度已成为衡量汽车工业发展水平的标志之一。
汽车的轻量化趋势加快了塑料在汽车领域的应用，油箱、水箱、发动机盖等组件越来越多地使用塑料，而汽车的内饰化则加快了汽车塑料化的进程。此外，汽车的高科技化诸如防撞系统、导航系统、安全气囊等的应用使塑料在汽车上的应用范围日益广阔，如表4所示[17]。
在汽车用塑料中，聚丙烯(PP)逐渐成为用量最大的品种，在欧洲、美国和日本的汽车用塑料中都居首位。聚丙烯(PP)材料密度小，易成型，耐热性和耐化学腐蚀性强，尤其是近年来，随着共聚、合金化、共混、复合、动态硫化等改性技术的发展，高流动性、超高韧性、高刚性、高耐热等各种高性能PP相继问世，PP作为一种重要的新型结构材料，在汽车上的应用越来越广泛，用以替代较为昂贵的工程塑料[18]。此外，出于对环保和便于回收循环使用的考虑，汽车工业更强调使用互相兼容的塑料，车用塑料的种类趋向统一化，而PP利于回收再利用，而且综合性能/价格比高，逐渐成为汽车用塑料的主导产品。
汽车用PP零部件主要有保险杠、仪表板、门内饰板、空调系统部件、蓄电池外壳等，这5种应用占全车PP用量的一半以上，其他应用还包括冷却风扇、方向盘、各种壳体等。据报道，现在每辆汽车可以用100kg PP材料替代200kg~300kg其他材料，相应地在15万km的平均寿命里程中可以减少燃料消耗750L[7]。日本的车用塑料以PP为主，90年代末单车平均PP用量已增加到37kg，在所用塑料中的比例为37%；PP也是美国汽车用塑料消费量最大的品种，约占20%，目前单车PP用量为24kg，正以15%的速度增长；欧洲汽车用塑料也以PP占首位，其用量占塑料总量的28.1%，目前正以10%速度增长。据预测，五年内全世界汽车PP用量将增长50%[19~21]。
除聚丙烯(PP)以外，聚乙烯(PE)类塑料的用量增长也很快，PVC由于部分被其它材料所替代而用量增长放缓，而ABS由于受其他替代材料的影响，用量呈微降趋势。
总体而言，汽车用塑料无论在用量还是品种上都呈快速增长趋势。以普通轿车为例，80年代，每辆轿车用塑料为50kg~60kg，占整车质量的5%~6%；90年代初，每辆轿车塑料的平均用量为100kg~130kg，占整车质量的7%~10%；而到2000年，这一比例已增至20%左右。预计未来汽车塑料用量将以年均10%左右的速度增长[22]。
参考文献：
[1] Joseph C,Benedyk. Light Metals in Automotive Applications[J]. Light Metal Age, 2000（10）: 34~35
[2] 适应变化的选择.汽车用材料，Materials Technology, Volume1/16,2001
[3] 敖炳秋.轻量化汽车材料技术的最新动态.汽车工艺与材料，2002(08/09)，1~21
[4] Jean L,Broge. The Battle of The Metals[J].Automotive Engineering International, 2000（8）
[5] 袁序弟.轻金属材料在汽车上的应用.新材料产业，2002(10)，21~25
[6] 铝制汽车零部件增加.[EB/OL].http://www.chinaproducts.com.cn/news2/content/contf7404.phtml
[7] 张译中.国外汽车用非钢材料的开发及应用.新材料产业，2002(10):14~18
[8] 陈远望.国外镁生产形势近况.世界有色金属，2003(3):52~55
[9] Roderick J.Esdaile.Magnesium Casting Application in the Automotive Industry[P], SAE-2001-01-0415
[10] 镁产业市场需要分析.中国高新技术产业导报·新材料周刊,2002,1,23
[11] 汽车对镁胃口大开.中国有色金属报，2002,8（4）
[12] Gerald Cole. Magnesium Research Sponsored by EUCAR in Europe and USCAR in North America [R]. Papers of Sinomag Die Casting Magnesium Seminar, Beijing: 2000,（10）
[13] 张珣.镁合金产业的现状与发展.世界有色金属，2002,(9)
[14] 吕宜振等.镁合金在汽车上的应用现状及发展趋势[J].材料导报，2000(12)：57~60
[15] 张琦.国外最新汽车用金属材料的发展趋热[J].汽车材料信息,2000（6）:1~8
[16] 杨世杰等.钛在汽车上的应用与展望.汽车工艺与材料，2002,(08/09):44~46
[17] 吴德峰等.塑料在汽车工业中的应用.新材料产业，2001(9):18~21
[18] 李馥梅.汽车零部件用聚丙烯塑料的开发.塑料科技，2002(6):60~65
[19] 姜胜军等.我国汽车用PP材料现状及发展〔J〕.合成树脂及塑料，1999，16（3）:3
[20] 黄畏隆.改性聚丙烯塑料在汽车工业中的应用〔J〕.现代塑料加工应用，1993，26（12）:3
[21] 段德晶等.聚丙烯在汽车制造业中的应用〔J〕.现代塑料加工应用，2000，12（5）:48
[22] 邹盛欧.汽车用塑料的市场与开发应用〔J〕.化工新型材料，1998，（1）:3