高强钢、铝合金板／型材、碳纤维复材……新能源汽车材料应用领域发展现状及问题

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汽车领域关键材料应用情况

1.1 高强钢

高强钢的应用有助于汽车轻量化，是汽车行业实现碳减排与碳中和的重要途径。国外冷成形高强钢已应用至1470MPa，其中780-1200MPa级别主要以冲压成型的DP、CP类为主；1470MPa级别主要以辊压成型的马氏体钢为主。国内冷成形高强钢生产集中在宝钢、首钢、鞍钢等大型钢企。宝钢可生产780-1700MPa级别冷成形高强钢，产品种类包括DP、Q&P、MS等，其全球首发产品Q&P 980-1180在通用汽车上实现量产应用。首钢冷成形高强钢以DP、CP、DH为主，最高强度级别1200MPa。另外，首钢正在积极研发具有更优异成形性能的980-1180MPa级TBF/CH钢等高成形性超高强钢产品。热成形钢方面，目前国外最高强度级别2000MPa，已实现批量生产及应用，且品种系列化走在行业前列，已实现铝硅热成形产品、直接热成形纯锌产品及无镀层产品批量应用。国内热成形钢起步较晚，但研发及应用发展迅速，在纯锌热成形钢产品生产应用上，与国际先进水平相比还存在差距。宝钢、本钢、首钢已实现2000MPa级热成形钢生产及应用，首钢1500MPa级热成形钢已批量应用于宝马、一汽等用户，1800-2000MPa级热成形钢也已实现批量供货。河钢唐钢2000MPa热成形钢交付一汽，用于四门防撞梁试制。

1.2 铝合金板／型材

汽车用铝合金板材已初步实现产业化一代，预研一代。外覆盖件用6016、6014，内覆盖件及结构件用5182、5754板材，实现产业化生产、小批量供货；高成形5xxx系板材，高强外覆盖件6xxx系板材成功开发工艺原型，并在吉利TX5、清源小尊等样车成功试制。中铝瑞闽完成新产线投产，使6014、5182板材成功应用于示范线平台考核车型北汽新能源Arcfox车型。

汽车用铝合金型材研究与应用进展良好，已实现了中高强度6016型材的开发及示范应用，6063、6082型材在吉利商用车上批量应用。建立了铝型材质量标准及型材断面轻量化设计方法，并在西南铝、华加日、金桥三家铝企获得应用，保证了材料的合格供应及典型零部件结构减重。除此之外，新开发了300-350MPa和350-400MPa等中高强型材，以满足不同的市场需求。

1.3 碳纤维复材

碳纤维在国内汽车量产化的应用起步较晚，大多用于研发或改装车上，随着全碳纤维车身自主品牌前途K50跑车2018年的问世，打破了国内无碳纤维量产汽车部件应用的困局，其外覆盖件如机盖、翼子板、车门、后侧围等均为碳纤维复合材料。2019年Volvo旗下的全碳纤维车身的极星1问世，扩大了碳纤维复合材料在汽车的应用，此车的碳纤维零部件全部为国内生产。

国外，宝马i系列和7系，奥迪A8等都是碳纤维在汽车中应用的典型代表。此外，丰田、大众、奔驰、现代等多家汽车制造商也都在开发汽车轻量化用CFRP，并应用于车身、轮毂、座椅、氢气瓶、前舱盖、底盘结构件、传动轴等部件。

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汽车领域关键材料发展趋势及政策

2.1 汽车领域关键材料发展趋势综述

国际先进车企在朝着多材料整车集成应用方向迈进，汽车用钢比例呈现先下降后上升并趋于稳定的趋势（图1），主要是随着铝合金、碳纤维复合材料应用比例增大，对成本控制和制造要求更严格，所以逐渐转向对钢材的应用，并通过提高高强钢的强度级别实现成本与重量的精益平衡，最终形成与铝／复合材料集成并用态势。而国内多数车企处于从先进高强钢应用为主向钢铝混合应用方向转变的阶段，对于复合材料、镁合金应用也较为单一。伴随着近年来国产汽车不断冲击高端车型市场的进程，铝／镁／复合材料应用比例也在不断爬升。

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2.2 高强钢发展趋势

我国“十三五”重点专项明确提出加快高性能超高强汽车用钢研发与应用，要求冷成形高强钢在高强化的同时，进一步提升其成形性能，QP、DH、TBF、CH等钢种成为典型发展趋势。在国际市场，美国持续推进“更强、更轻”先进高强钢开发，1200-1500MPa级Q&P钢是其典型代表。日本以日本制铁、JFE和神户制钢为主导，积极研发兼具抗拉强度1500MPa和20%高伸长率超高强钢板。欧洲在德国汽车工业协会的倡导下，大力发展高延伸性DH钢。在热成形方面，则要求具有更高的强度和耐蚀性，由现有的1500MPa、1800MPa提升至2000MPa，由热成形裸板升级为铝硅镀层钢板。总的来讲，冷成形高强钢板未来向高强度、高塑性方向发展；热成形钢板向更高强、高塑性及高耐蚀抗氧化涂层板等方向发展。

2.3 铝合金板／型材发展趋势

汽车用铝合金板材将朝着系列化和低成本化两个方向发展。系列化是满足汽车铝合金覆盖件使用需求的必然趋势，其目的在于满足不同汽车零部件的个性化需求，如高成形、高强度、高包边、高表面质量、高吸能、易回收等，充分发挥铝合金的特性，降低铝板应用难度。低成本化则是保证汽车用铝合金进一步广泛应用的必要条件，材料低成本的主要技术途径需要全生命周期考虑，如材料设计、短流程制备工艺、易回收汽车零部件结构设计、废铝回收分选及提纯等均为技术发展的要点。

铝合金型材构件的材料开发、结构设计、应用性能及总成评价的全流程开发是未来发展趋势。国内急需建立型材研发、结构设计、应用性能及构件性能评价的整体链条，联合主机厂、材料开发机构、生产企业、测试部门等，形成未来高端制造的坚实基础。

2.4 碳纤维复材发展趋势

在国外，碳纤维在汽车上的应用由来已久，但随着汽车轻量化的需求日益迫切，同时碳纤维价格逐步下探，碳纤维复合材料产业链日趋完善，碳纤维在汽车的应用也随之发生变化。从应用车型的角度，早期主要应用于赛车和超跑，如今逐渐向中高端乘用车延伸；从应用部件的角度，早期主要应用于覆盖件、装饰件以凸显车型的运动基因，如今逐渐向整体式车身、结构件以及次结构件进行拓展，以发挥碳纤维复合材料优异的力学性能；从生产方式的角度，得益于工业技术的发展，更是发生了巨大的变化，由原来的小批量手工式工艺发展成面向汽车生产节拍的大批量自动化生产工艺。

国内碳纤维复合材料在汽车上的应用与国外相比有一定的差距，国内在批量化的应用上相对较少，对于小批量化应用的部件主要集中在外覆盖件上，没有真正发挥复合材料的性能优势。其中制约其规模化应用的主要因素仍是成本。

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汽车领域材料应用存在的问题

随着汽车材料技术进步速度放慢和品牌竞争加剧，钢材、铝合金和工程塑料国产材料技术差距大大缩小，成本和服务优势也逐渐凸显，仅有少部分铝板、碳纤维复合材料等存在应用层差距，造成企业偏重装备和规模，忽视对市场需求的敏感捕捉，造成同质技术、工艺的过度投入，此外也出现了过分追求产品对标，缺少集成设计与应用的系统思考、人才培养与基础创新等问题。

3.1 汽车用高强钢

目前，高强钢在汽车领域的应用主要存在以下技术问题：超高强钢冲压开裂及回弹、液态金属致脆、氢致延迟开裂。成形过程中，超高强钢因其伸长率低、塑性变形区间窄、变形抗力大，易出现冲压开裂、回弹大、尺寸精度不良问题，严重影响后续连接和装配。焊接过程中，高强镀层钢板表面锌或锌的金属间化合物在电极部位发生熔化，沿着晶界流动到基板内部，焊后冷却过程中易导致沿晶微裂纹，其危害是零件瞬时断裂失效。目前，几乎所有冷成形及热成形高强钢均面临氢致延迟开裂问题，并且开裂敏感性随强度级别提高而不断升高。国内钢铁研究总院、中国汽车工程研究院、宝钢、首钢等均开展了汽车用高强钢氢致延迟开裂机理研究，研究方法包括电化学充氢、慢应变速率拉伸、TDS测氢和恒载荷实验等，但起步较晚，还处于数据积累阶段。

3.2 铝合金板／型材

汽车用铝合金板材领域，国内尚处于追赶阶段，具体差距为：1）板材批次稳定性差，如屈服强度波动难以控制在±5MPa以内，冬、夏季板材性能不一致，缺乏全流程工艺-组织-性能积累；2）产品种类相对单一，6022、6111、5023、6056等高强、高成形合金尚未掌握确切成分、工艺；易回收汽车用铝、内外板通用等新型铝合金及相关产业化技术研究尚未起步；适用于温冲压、热成形、易焊接的个性化材料缺乏研究；3）成本精细控制刚刚起步，尚未开展板材回收利用，液态金属直接铸造轧制、无中间退火等短流程工艺开发刚刚起步；4）废铝回收料基本用于发动机、壳体以及轮毂，多为降级式再利用，难以同级回收。

3.3 汽车用碳纤维复材

国内碳纤维复合材料在汽车上的应用与国外相比有一定差距，批量化应用上相对较少，对于小批量化应用的部件主要集中在外覆盖件上，没有真正发挥复合材料的性能优势。此外，碳纤维复合材料研发及应用还存在以下问题：1）缺乏复合材料在汽车上应用的规范及准则；2）成形效率低；3）汽车制造工艺的适用性有待提高；4）面临有效的材料回收利用方面的问题。（
海南钢材