1.5 微结构材料助力汽车轻量化

由于环保和节能需求日益强烈，汽车轻量化已成为世界汽车发展的潮流。研究表明：汽车质量每减少100kg，每100km可节省燃油0.3~0.5L，减少CO ₂ 排放8~11g，加速性能提升8%~10%，制动距离缩短2~7m。

汽车车身轻量化是汽车轻量化的重要环节，汽车车身轻量化途径主要包括轻量化材料的应用、结构优化设计和先进工艺的应用。其中，高强钢、铝合金、镁合金、复合材料是目前常用的轻量化材料。通过对汽车结构的改造和制造材料的优化，汽车重量还有15%的下降空间，随着汽车制造材料的不断开发升级，汽车重量的减轻不会带来安全隐患。

由于材料成本和制造成本的限制，钢材一直是汽车最为广泛运用的首选材料，平均占汽车重量的60%左右。但随着各大汽车厂家满足日趋严格的减排标准，瞄准减重及提高燃油效率，铝合金、镁合金以及以碳纤维为代表的复合材料等非钢材料在汽车上的占比不断上升，钢材因此持续受到这些替代材料的威胁。虽然铝镁合金和碳纤维复合材料具有明显的比强度和比刚度优势，但在大规模应用方面，仍然受到成本因素的影响和限制。因此，选择价格更合理、性能更优的轻量化材料是目前轻量化技术研究急需解决的一个问题。

对于产品的整体性能而言，材料本身的基本性能和微结构化处理同样重要，这在某种程度上有效推动了结构-材料一体化优化方法的发展。这些全新的微结构材料是在传统原材料的基础之上，将其与力学承载结构相结合所创造出来的新型材料，从而实现宏观材料层面各项性能的大幅度提升。换言之，微结构材料是通过多种普通材料搭建微结构来获得优异的性能。

目前，微结构材料已在汽车碰撞安全、声学管理、热管理性能等方面得到了广泛应用 ^[20] ，如图1-10所示。由于其本身结构设计的灵活性和复杂性，现有制造技术存在无法生产精密结构的技术瓶颈。但是，随着快速成型技术的迅猛发展，微结构技术与快速成型技术可完美结合，快速高效地制造出个性化产品，大大缩短了生产周期，提高了效率 ^[21,22] 。与自然界中现存的材料性能对比，充分显示了其在性能提升方面的巨大潜力和优势 ^[23,24] ，完美践行了国家绿色环保、可持续发展的理念。

图1-11生动形象地展示了微结构材料在汽车某些乃至全部部件中应用的可行性。其中，微结构材料在车身部件上的应用主要包括吸能块、前端模块、发动机盖、门模块、备胎仓、前后防撞梁、地板、顶棚以及行李舱；在底盘及动力系统上的应用包括悬置、油底壳、衬套、主弹簧、蓄电池托盘、蓄电池保护结构、底盘箱体、非充气轮胎、气门室罩盖及节温器壳体；在内外饰上的应用有座椅垫、可展底盘、柔性车身、内饰件、内外饰一体化覆盖件、太阳能电池板以及弹性吸能材料。微结构材料技术的推动和发展不仅颠覆传统汽车轻量化技术的思维，还将给汽车产业带来全新的注解。