解析汽车材料应用
技术应用 Technology Application
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在汽车工业中，材料往往就是一切。数十年前的汽
车，几乎皆以形形色色的钢铁打造。其中只要少数零件
不是钢铁制品，例如塑料或木材。然而如今汽车工业在
材料应用上却有很大的转变。其间，我们对被动安全、
性能和设计的要求也在逐步提高，导致汽车材料供应商不
断研究开发新材料，以取代密度相对较高的钢和铁，从
而获取更高的机械性能。
汽车零件应选用哪种材料制造，主要取决于以下几
个因素：一、材料的成本，二、材料的密度，三、机
械特性，四、循环再生的弹性和效率，五、处理和塑
性成型的难易程度，六、材料的供应是否充足，七、安
全性，八、生产加工的成本。其中最重要的因素是材料
的密度和材料的成本。成本方面，不能单纯考虑汽车的
生产成本，还需考虑该种材料是否具备充裕的供应，以
及循环再造的可能性。
铁质材料日益创新
长期以来，钢材和铸铁一直支撑着汽车工业的发
展，但两者的应用程度在过去二十年却持续的下降，原因
就是它们拥有较高的密度。在尽量降低整车质量的前提
下，各种密度较小的金属材料应运而生。
今天汽车工业常见的工程用材料，大致分为四类，金
属材料、无机非金属材料、高分子材料和合成材料。金属
材料的代表是铁，以及用铁、碳合成，再加入少量其他元
素的铁合金，各种钢材与铸铁就是最常见的例子。只要调
整碳含量，再通过不同的热处理方式，就可制造出机械特
性和强度不同的各式钢材和铸铁。
虽说应用程度有所下降，但钢与铸铁在如今的汽车上
还是占有相当重要的角色。若以重量计算，今天铁合金仍
占一般汽车的六成重量。铁合金的优点在于成本低，并拥
有良好的机械特性及强度，易于塑性成型与加工，又具有
一定的循环再利用的效率，其生产及应用经验已非常成熟。
缺点是暴露在环境中的抗腐蚀能力相当有限。当汽车的主
要部件如车架、车身、引擎、悬挂系统、传动系统的零件
均以钢铁制造时，这两个缺点更加不容忽视。
为了迎接新材料，尤其是铝合金的挑战，钢铁工业
并没有坐以待毙，开发出新型的铁合金，试图缩小钢铁与
铝合金的密度差距，于是催生了所谓的高强度钢和超高强
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《聚氨酯》2008 年 2 月 总第 69 期
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度钢。这些新型的铁合金都是超轻钢材车身计划的重大成
果，由此制造的汽车可比传统钢材制造的汽车质量轻约四
分之一，借此压制铝合金在车身应用上的急速发展。
铝材大行其道
尽管钢铁技术持续改进，但与此同时，铝材在汽车
工业扩大应用的情况下并没有停滞不前。这种材料在今天
已被视为轻量化汽车第三大常用材料，平均每部汽车使用
的铝质组件已重达115kg，以质量计算已超过塑料。虽然
铝材不利于塑性成型与加工，又有抗腐蚀能力低和机械特
性远逊于钢的缺点，但是其低至 2.7g/cm3 的密度却令它
成为轻量化汽车的首选材料。根据实验结果，若以材料重
量为单位，铝材的机械强度达传统钢材的两倍。这样就很
容易理解现代汽车的引擎汽缸顶往往会以铝合金制造。这
种趋势不但见于活塞等引擎零件，还扩大至悬挂组件。此
外，业界亦积极将其应用到车架和车身，例如奥迪已有两
款汽车使用纯铝合金的车架与车身，其它车厂亦纷纷效仿。
抛开铝材，汽车使用的其它轻质金属材料也越来越多，
其中最重要的就是镁和钛。镁的机械特性与铝相近，密度
仅为 1.74g/cm3，但其生产成本相对较高，而且涉及更
复杂的抗腐蚀加工，所以在汽车的应用范围仍然限于特殊
零件，例如进气歧管和轮毂。钛的密度也较低（4.54g/
cm3）， 机械强度非常高，对常见于环境的化学物质具有
很强的抗腐蚀能力，问题是开采、提炼钛的成本非常之高。
塑料愈受青睐
近年来深受汽车工业青睐，应用程度越来越广的材
料，就是通称为塑料的聚合物。塑料在60年代还没有普及，
当时在汽车上平均所占的重量不会多于10kg。如今的情况
截然不同了，一部汽车使用100kg的塑料部件司空见惯，
所取代的材料往往比它们重两倍。
聚合物是天然或人工合成的材料，依靠多种聚合方
法将大型分子链接而成。石油是大部分聚合物的原材料，
其他天然来源还有橡胶等等。他们的主要优点包括易于生
产和成型、易于制造几何形状复杂的零件、透明特性、
低密度和低成本，缺点则在于较差的机械特性和物理强
度，对热力又相当敏感，难于循环再造也增加了它们污
染环境的机会。
三类聚合物
聚合物按特性可分为三大类别
第一类是热塑性塑料，它们能在加热时软化，容易
变成流体铸成各种形状，冷却时能迅速凝固。汽车工业
常用的热塑性塑料有聚乙烯（PE）、 聚丙烯（PP）、
聚氯乙烯（PVC）、 尼龙以及 ABS 树脂。现在许多汽车
零件，例如防撞杆、仪表板、车厢零件等已普遍使用上
述聚合物制造。
第二类是热固性塑料，这类塑料混合了聚合物和令
聚合物硬化成型的固化剂，常见的有环氧树脂、不饱和
聚脂和氨基树脂。在汽车上主要应用于电器回路的保护及
连接部件，地板保护垫层等。它们亦可以跟玻璃纤维混
合，变成一种可应用于车身的硬度很高的材料。
橡胶是最后一类聚合物。它们具有受压变形、消压
则回复原状的特性，包含天然橡胶、合成橡胶、合成聚异
戊二烯，主要应用于轮胎和机械零件之间的弹性部位，也
常常作为防水介质。
聚合物的类型多不胜数，可以用来制造上千种不同
零件，由于这种材料应用范围广泛，富有弹性，轻质特性
又有助于减轻汽车重量，所以深得汽车工业的青睐。
将上述的工程材料混合使用，我们会得到一种重要的
新材料——合成材料。合成材料均以两种或两种以上的成
分构成，从而创造一种不同于单一成分的材料特性，另一
种则形成一个母体或铸模，其密度通常十分低，起固定强
化成分，帮助后者发挥最大功效的作用。汽车工业应用的
合成材料主要属于纤维一类，在铸模内填充数以千计的纤
维状强化成分。制造这些纤维的材料主要有玻璃、碳、聚
合物等。铸模则可以用塑料、金属或陶瓷制造。现在合成
材料仍未普及于大量生产的汽车，通常只应用于超级跑车
或赛车，原因是它们的生产成本很高，维修亦较为麻烦。
与“铁器时代”说再见
石油危机和环境污染令汽车工业只有一条路可走——
现代汽车应该消耗更少的资源，并且尽可能的降低排放，
其中最重要的途径就是它们必需减重。这种大趋势会令密
度较高的材料逐步退出历史舞台，取而代之的是各种轻质
材料。但在取代的过程中我们仍需要满足安全、循环再
造、成本效益和基础配套等实际需求。可以肯定的是，
材料科学技术会持续发展，更轻、更强的材料必会相继
问世，为汽车的“铁器时代”划上句号。
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