由于受到汽车舒适性和安全法规的影响,乘用汽车的单车平均重量在2004年以前持续攀升,从上世界八十年代初的平均单车重量1.4吨上升到2004年前后的单车1.8吨。而近年来排放和节能法规日趋严格,汽车轻量化已成新的发展趋势,预计到2020年乘用车的平均重量将下降到1.6吨左右。总重量似乎下降不大,但如果考虑到这个总下降量是不同材料的有增有减结果的综合效果,进而分解到车身的每种部件和不同材料时,可以发现每种汽车组成材料的变化还是相当显著的。
如果仅考虑重量和成本因素,科尔尼计算了不同材料的吸引力比较,其基本原理为重量越轻、成本越低的材料越有吸引力,如下图所示,吸引力指数小的材料吸引力高。在普通钢材、高强度钢(高强度超薄钢材)、铝材、塑料和碳纤维5中材料中,铝材和塑料胜出,其降重和成本的综合因素最佳,高强度钢紧随其后。碳纤维作为昂贵的航空材料,目前主要在高端跑车和名贵豪车上大量应用。比如法拉利、兰博基尼、帕加尼等超级跑车以及奔驰和宝马的高端车,车身车架、座椅甚至传动轴等部件都采用碳纤维制作。由于成本原因,碳纤维在可预见的时间范围内难以规模化普及到普通车辆。
铝与塑料目前在乘用车制造中已经是普遍使用的材料,全球单车平均用量都在100公斤以上。在一些技术激进的车辆上用量更大,比如奥迪A8甚至A6L都采用了全铝车身,铝制发动机、铝制变速箱壳体以及铝制轮毂等铝制件渗透率逐年提升。而近年来由于改性工程塑料材料的性能发展,采用塑料制作车身覆盖件也屡见不鲜,尤其是考虑到工程塑料件在撞车事故中可以有效吸收冲击能量,在欧洲和日本法规对于车外部人员安全要求较高的国家,汽车外部车身上的塑料使用量已相当普遍。工程塑料未来应用面临的最大难题则是对环境的危害,欧盟等国家和地区的法规目前要求报废车辆的材料可利用率要达95%以上,而且未来还会继续要求提高,受此影响,部分类别的工程塑料则会逐步退出汽车制造市场。
当然除了排放和节能导致的轻量化要求、成本限制和环保法规(可回收或可利用)外,汽车材料的应用变化同时还受到安全法规和加工性能要求的影响。展望2020年,我们相信从单车平均重量来看,会有约180公斤的普通钢材零部件会被替代,其主要替代材料为高强度钢、铝与塑料。高强度钢虽然成本略高,但其加工性能和在部分部件上的安全性能超越了铝与塑料,因而未来将是增加最多的材料,与今天相比,到2020年高强度钢总重量平均每车约增加51公斤,其次为铝平均每车增加45公斤以及和塑料平均每车增加约15公斤。