大众汽车研发中心材料与制造方法部主任谈汽车材料与轻量化

专访大众集团研发中心材料与制造方法部主任绍尔特博士

欧利弗·绍尔特博士(Dr. Oliver Schauerte)自2015年起担任大众集团研发中心材料与制造方法部主任。在《轻量化技术》对绍尔特博士的专访中，绍尔特博士认为，在大批量生产汽车中，钢依然占据着汽车材料的主导地位。结构材料的开发主流方向为混合材料。在采访中，绍尔特博士展望了汽车材料发展的未来，尤其是量子计算革命为汽车材料的发展带来的新的潜能。

《轻量化技术》问：高尔夫7是第一次新一代车型重量轻于前一代车型的高尔夫车。高尔夫车型采用的大量的钢。就目前的情况来说，钢属于轻量化材料吗？

绍尔特答：目前来说，钢依然属于轻量化材料。在过去的十年里，钢铁工业和汽车制造商一起在钢的品质方面取得了巨大的进步。可以预期，未来钢板的抗拉强度甚至可以达到2000MPa。这在十年前几乎是不可想象的。

问：作为当今的轻量化材料，钢在未来能否也起到重要的作用呢？

答：当然，每种材料都会有其相应的作用和需求。例如，新一代奥迪A8采用了大量的铝材。但是在大批量生产领域，钢依然占据着主导地位，还有一个原因就是来自亚洲钢铁工业的价格压力，因为亚洲地区的钢材更便宜。另外，钢铁工业也要保持更好的竞争力。

问：大众汽车计划到2025年成为领先的电动车生产商。钢在大众的电动车中也会起到重要作用吗？

答：是的，大众公司主要还是会用钢材，因为集团生产批量巨大。对于价格更高的电动车，我们会考虑采用纤维复合材料或者是铝材料，但是即使是针对电动车，大众采用的主要材料还是钢。需要注意的一点是：如果在电动车上采用轻量化，将用于轻量化的资金投入到高功率电池开发是最有效率的，因为电池重量是个大问题。如果能够提高电池的功率，就需要更少的电池。这是驱动轻量化最简单的方式。对于材料研究来说，这可是全新的任务领域。

问：对于车身、底盘或者动力系统，您觉得还有哪些轻量化潜力呢？

答：针对这个问题，我认为目标不仅是相互矛盾的，也是很有意思的。一方面可以预测，传统的燃油发动机早晚有终结的一天；另一方面，我们也知道，在全世界范围内，传统燃油发动机还会在很长的时间内继续应用。作为材料研究者，我们站在整个链条的始发点。从一种材料的研发到材料在发动机或者变速器中的应用，至少需要10-12年的时间。在材料开发时，必须要考虑到这一点。

问：过去的10-15年，在车身或者动力系统中，又发现了哪些新材料呢？

答：在结构材料领域，非常清楚的是混合化。如果看元素周期表的话，从纯技术的角度来看，对于汽车制造来说，只有四种元素是有非常意义的：铁/钢、铝、镁和钛。这四种元素中总会有一种要好于元素周期表中所有其它的元素。当然，还有纤维、碳纤维和玻璃纤维，还有塑料，即热塑性塑料和热固性聚合物。未来将会按照定制的性能要求去开发定制的材料。这意味着，在一个构件内确定位置的特殊性能与其它位置的性能不同。

问：混合材料？

答：是的。传统的混合材料是塑料复合材料，可以归类为基于塑料基体的碳纤维或者玻璃纤维，沿着载荷方向布置。可以生成各向异性，设置与方向相关的刚度和强度。

最近，钢铁生产企业生产出了“三明治”材料，即外面是钢，内部是中性纤维的塑料。可以想象，将金属和纤维相互连接，类似于航空工业中已知的材料Glare。或者可以在铸造材料中设置陶瓷颗粒，以改进刚度。一个全新的应用肯定是金属3D打印。采用这个方法，不仅可以打印出三维的金属件，还可以用粉末改变局部，局部的合金成分也可以变化，甚至能生产出相图之外的局域合金。

问：新的材料要求新的生产技术和连接技术。将新材料带入批量化生产究竟有多困难？

答：我们所处的研究领域要是没有材料和制造方法是不可想象的。我们不仅是简单地开发一种新的材料。针对每一种材料，我们都需要解答最基本的问题，要考虑到材料的可加工性，材料的成型性，材料的连接技术，材料的可获得性，诸如此类。在材料开发中，必须要解决仿真与加工性的基础问题。通常来说，我们所面临的挑战还在于，一种新材料，例如高强钢，铝合金或者是镁合金，都应当能基于现有的生产装备或多或少是可以加工的。即使是一个供应商提供的构件，也必须可以在相对应的生产过程中可以融入加工过程。例如，奥迪A8的背板单元是碳纤维复合材料。这个单元在奥迪的内卡斯乌尔姆工厂加工完毕，然后集成到现有的制造过程中。

问：目前，在小批量和大批量车型中，采用的材料组合是不同的。小批量生产中用碳纤维复合材料和铝，大批量生产中用钢。未来，这种材料上的差别是会越来越大呢，还是会日益缩小？

答：通常来说，新材料是“自上而下”进入批量生产的。所以也可以理解，一旦我们决定采用一种材料，最理想的是对该材料的需求也会增加。就是说，材料生产商和构件生产商面对的是完全不同的数量，并且可以为此高效地组织生产。一旦实现了这种效率，那么下一步就可以为下一代汽车市场服务了。

问：那样的话，在大批量生产中采用铝就不能拖太长的时间了。

答：铝材料已经在很多量产车型中得到了应用，尤其是奥迪系列的车型。但是，如果将钢和铝进行比较，可以看到，在过去的20年，铝在加工和材料可获得性方面明显得到了改进。不过，钢也是一样。另外，钢的机械性能也得到了明显的改善。就是说，铝和钢的竞争还是非常激烈的，对于铝来说，进入大批量生产还需要更多的努力。

《轻量化技术》问：如今，汽车对环境的影响主要是根据使用阶段的排放来评估的。很多开发工作也是针对这一目标来开发新的材料。如果将汽车对环境的影响扩展到汽车的整个的寿命周期直至回收加以评估，材料的组合会是什么样的？

绍尔特答：如果将新的材料，例如金属纤维三明治材料，与传统的材料相比，可以看出，绝大多数新材料的生态平衡指数并不怎么好。但是，我们也知道，在量产车型中采用一种新材料，也会触发其它的活动。就是说，如果一个类似大众集团这样的企业在量产车中采用一种特定的混合材料，到一定时候就会出现回收材料的商业行为。此外，基于规模效应，迟早也会出现能源适宜的生产过程和加工过程。从生态角度来看，总是先出现轻量化的驱动，长期下来，在环境指数以及二氧化碳指数方面也终于会得到回报。

问：是否可以将碳纤维复合材料作为例子呢？

答：我们现在已经清楚地知道，如何有效率地使用碳纤维，如何回收或者再次使用。这些想法首先在碳纤维复合材料的开发工作中产生的。碳纤维的生产非常耗能。但是如果对碳纤维有相对应的需求，主机厂可以和碳纤维制造企业约定，生产碳纤维的能源要来自风能发电或者水力发电等符合生态标准的来源。

问：您对复合材料的生产企业有什么建议，以便于他们有机会将长纤维强化塑料用于大批量生产？

答：首先要区别碳纤维和玻璃纤维。玻璃纤维非常便宜，玻璃纤维的生产和加工需要高度自动化。碳纤维的价格始终过高，即使已经取得了非常大的进步。下一步，对于碳纤维来说，更有意义的是开发出刚度更高与/或者强度更好的材料，这样可以通过减少碳纤维布置的数量来降低构件的成本，这比单纯来降低现有碳纤维的成本更有意义。

问：汽车材料研究接下来怎么搞呢？下一个大事件是什么？

答：我们如今处在一个阶段，在这个阶段里，材料研究拥有了全新的可能。就是说，材料的研究，不仅仅是通过在材料中这里添加百分之二那里添加百分之一的元素，以可能提高百分之三的抗拉强度。不是这样的。如今，我们可以通过采用新的仿真方法全新开发材料，而且会以迄今为止无法想象的速度开发新材料。这当然是非常令人激动的，这种情况现在刚刚开始出现。

问：这些仿真方法真的是新的，还是由于计算能力增加了？

答：我指的是量子仿真。我们已经在功能材料领域已经成功地采用了这种方法。量子仿真的机理在上个世纪二十年代就已经为人所知了，例如不确定性原理，但是直到不久前还无法将这个机制用于材料的开发。所有重要的材料物理性能都是通过带原子核以及相邻原子的原子核的电子的相互作用来描述的，本质上来讲，是采用薛定諤方程加以描述的，只是方程无解。

问：但是您现在不是解开了么？

答：基于新的仿真模型如密度泛函理论，可以通过采用离散模型，借助日益增长的计算能力，从而导致非常好的结果，例如：在开发新的电池材料方面。针对更进一步的材料仿真，则需要更高的计算能力，因此量子计算机就非常重要了。基于这个原因，大众公司现在也在和谷歌进行合作。一旦量子计算机真的可供使用，那么计算能力无疑将得到极大提升，我们可能就可以进一步通过仿真方法开发用于结构应用的复杂合金，这样可能会针对特殊应用开发出终极材料。这还是属于未来的梦想，但是可以想象，针对完全确定的强度和刚度组合计算出准确的合金成分，也可能会产生出迄今尚无法想象的合金成分。

问：如果可以完全计算整个过程，高强钢的刚度上升多少个百分比？

答：我们得现实一些，过去120多年以来，对钢的研究一直持续不断。如今，可供使用的钢材超过7千种。现在要是有人要想找到具有全新性能的钢，几乎是不可能的。一种金属材料的刚度只在非常窄的边界起作用。但是，可以通过带入材料混合与纤维或者颗粒，与其它材料合金化，在一定的边界对材料（包括钢）的弹性模量施加影响。

问：材料领域如何从新的机遇中获利呢？

答：遗憾的是，在德国，材料领域不一定会增长。由于德国的能源价格高企，铝工业、铜工业和镁工业都面临着巨大的压力。对于塑料生产企业也是如此。钢铁制造企业则是双倍艰难，因为他们不仅面临高的电价压力，还面临着来自中国的低价钢铁的压力。这对于材料领域来说，需要通过创新来创造新的机遇和新的定位。

问：但是至少大众汽车公司从低价钢铁中获利了。

答：如果欧洲的钢铁制造能力大幅下降，对于汽车工业来说就是坏消息了。

问：百分之七十的创新都与材料密切相关，德国的材料研究会怎么发展呢？

答：在材料研究领域，我们处于不错的地位。大众公司创立了开放混合实验工厂。在德国，过去的几年中成立了很多类似的研究机构。大众有很多的材料联盟。从研发的角度看，如碳纤维复合材料开发，已经做了大量的工作。当然，我们也关注不同领域的国际研发活动。在传统材料开发领域，德国处于领先的地位，或者至少超前的地位。德国有很多协会，可以激发年轻工程师的兴趣，如针对碳纤维复合材料的协会，或者塑料协会。另外还有很多行业协会，可以将研发机构和工业界结合在一起。这些都值得关注。

问：最后还有一个小问题：更轻的汽车可以承担更多的成本吗？

答：我认为可以，更轻的汽车必须更贵一些。正因为如此，最有效率的轻量化材料首先用于豪华车和超级跑车中。