茂名石化科研人员展示用轻量化材料制作的油箱。 李 烨 摄

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    近年来，全球汽车节能减排标准日益提高。随着节能环保技术和轻量化技术快速发展，绿色汽车和节能减排已成为汽车工业发展的主题之一，汽车工业呈现环保化轻量化的趋势。

    汽车轻量化材料包括高强度钢、轻质合金及高分子复合材料，在整个汽车制造中占比10%~15%。其中，由于密度低、性能优异、加工简易及可回收，“以塑代钢”的轻量化高分子复合材料得到业界高度重视，已成为汽车零部件行业升级的重要方向。轻量化材料每替代金属材料10%，车辆可整体减重5%，缩短惯性带来的制动距离，提高车辆的驾驶安全性及操作性能、加速性能，减少车辆排放，展现了广阔的应用前景。

    本版专题介绍汽车轻量化材料的发展状况及中国石化的贡献，敬请关注。

    嘉宾：集团公司石油化工领域首席专家 梁爱民

    单位：北京化工研究院

    问：汽车行业为什么要使用轻量化材料？

    答：截至今年6月底，全国机动车保有量达4.26亿辆，其中燃油车3.28亿辆、新能源汽车1620万辆，年耗油达2.5亿吨。

    汽车能耗的30%来自轮胎滚动阻力、40%来自行驶时的空气阻力。汽车整车质量每减少10%，可降低燃油消耗6%～8%，减少二氧化碳排放4.5%，制动距离缩短5%，转向力减少6%。轮胎滚动阻力每降低20%~30%， 可节油5%~7%，每百公里二氧化碳排放量可减少400克。

    由此可见，汽车轻量化是降低能耗、减少碳排放的重要方向。尤其对新能源汽车而言，轻量化不仅可以节约能源，而且可以在电池容量相同的条件下增加汽车的续航里程、延长电池寿命，需求更加迫切。

    问：汽车轻量化材料的市场应用情况如何？

    答：加大轻量化材料应用力度已成为汽车工业发展的必然趋势。据统计，目前轻量化材料在整个汽车制造中的平均占比为10%~15%。

    轻量化材料的应用受到多种因素影响，包括材料的性能、成本、可靠性、大规模生产能力及市场需求等。

    高端汽车和电动汽车通常更多地采用轻量化材料。例如，在一些高端豪华汽车和超级跑车中，轻量化材料的占比可能超过30%，甚至更高。

    在传统汽车市场，轻量化材料的应用程度相对较低。

    随着技术不断发展和成本持续降低，预计轻量化材料在汽车制造中的应用程度会逐渐增加。据预测，到2030年，轻量化材料的应用占比有望在20%~30%。

    问：在汽车行业，有哪些轻量化材料已经得到应用？

    答：包括金属轻量化材料，如铝合金、高强度钢和镁合金，以及非金属轻量化材料，如碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料等。

    汽车材质塑料化是当今汽车制造的一大趋势。车用改性塑料质量轻、强度高，只有普通钢材重量的15%～20%，比木材更轻，对汽车轻量化有极大的促进作用。复合材料具有比强度和比模量高、密度小、质量轻、强度高、安全等级高等优点，是汽车轻量化的理想材料。汽车内饰件、外饰件、结构件和轮胎是轻量化材料应用的主要部件。

    目前，汽车轻量化材料树脂原料主要有PP（聚丙烯）、PE（聚乙烯）、PA（聚酰胺）、PU（聚氨酯）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PC（聚碳酸酯）、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）；复合材料主要有填充改性材料、发泡材料、纤维增强材料等。

    纤维增强材料在“以塑代钢”方面起到越来越重要的作用，主要有短纤维增强材料和长纤维增强材料（LFT）。LFT具有突出的力学性能，包括优良的刚性和韧性，低收缩、高尺寸稳定性和低翘曲性，极高缺口冲击强度，与金属相当的热膨胀系数，优异的抗动态疲劳性能。未来汽车的车门、车顶、座椅部件、轮毂及汽车周边结构件，都会更多地使用LFT。由于LFT可塑性强、强度高，未来甚至车身都会使用LFT。

    常见的非金属轻量化材料包括碳纤维复合材料、玻璃纤维增强塑料、聚合物复合材料、聚合物泡沫材料等，在汽车市场的应用将越来越广泛。汽车制造商不断探索和采用新的非金属轻量化材料，以实现汽车的轻量化和性能提升。

    当然，非金属轻量化材料的应用仍面临一些挑战，如制造成本、可靠性和大规模生产等，需要进一步研究和发展。

    问：有哪些国际知名公司研发生产轻量化材料？

    答：汽车轻量化材料具有较高的技术门槛和附加值，目前主要由国外化工巨头和国内少数改性企业生产。如国外的沙特基础工业公司、塞拉尼斯、科思创、兰蒂奇、安特普、佳施加德士、巴斯夫、欧文斯科宁、蒂森克虏伯、阿塞洛米塔尔、利安德巴赛尔、萨博、肯联、3M等公司。国内树脂供应商主要为中国石化、中国石油，复合材料改性企业主要为金发、聚隆、普利特、中广核俊尔、聚赛龙、汇通、道恩等企业。

    绝大部分知名车企都开展轻量化研究、利用轻量化材料。对新能源车企而言，电池能量密度短期内较难提升，最大化减重成为增加续航里程的必然选项。

    问：轻量化材料国产化替代情况如何？

    答：国内车用改性塑料行业起步较晚，尽管有超过3000家改性塑料生产企业，但年产能超过3000吨的只有70余家，过万吨的寥寥无几，大部分企业规模偏小，生产技术能力和质量保证能力欠缺，很难满足高档汽车的要求，高档汽车专用塑料国产化程度低。

    据统计，目前国内企业在车用改性塑料的市场占有率仅为30%~40%，进口替代空间巨大。

    问：中国石化在轻量化材料方面有哪些贡献？

    答：中国石化依托在三大合成材料的产业和技术优势，聚焦“以塑代钢”，通过“产销学研用”24家单位协同攻关，取得5项基础理论研究成果，开发出涉及9种35个牌号的合成材料成套工业生产技术、6类复合材料制备技术，并建成了工业生产示范线，相关产品已在燕山石化、扬子石化、镇海炼化、石家庄炼化、茂名石化、上海石化等14家企业进行生产，并在超50家汽车零部件及整车企业试产了前端框架、碳纤维轮毂、门内护板、轮胎气密层等29种汽车制件。总体技术处于世界先进水平，部分处于世界领先水平。

    通过改进生产工艺和提高材料性能，中国石化生产的聚丙烯材料具有较好的强度、韧性和耐腐蚀性能，可用于制造汽车的内饰件、仪表板和门板等，帮助汽车降低重量、提高燃油效率。

    中国石化生产的橡胶材料具有轻量化、耐磨、抗老化等特性，可用于汽车轮胎、密封件等部件。

    中国石化所属企业通过技术创新、设备升级和质量控制等手段，不断提升产品质量和性能，满足汽车行业对高性能、高品质材料的需求。同时，这些企业也积极参与国内外的合作项目，推动汽车轻量化技术的研发和应用。

    问：轻量化材料的发展趋势是什么？

    答：轻量化材料潜力巨大。汽车材料向轻量化、环保、舒适感知、智能化、安全五个方面发展。微发泡、低密度、长玻纤等技术为汽车材料轻量化提供了创新解决方案。此外，碳纤维复合材料、玻璃纤维增强二维材料、玄武岩纤维复合材料也是未来的发展方向。

    （潘亚男 整理）