碳纖維材料是否成為未來(lái)汽車(chē)首選

碳纖維復(fù)合材料真的是未來(lái)汽車(chē)最好的材料選擇嗎？這是一個(gè)很開(kāi)放的問(wèn)題，若說(shuō)是，未來(lái)的發(fā)展誰(shuí)又能說(shuō)清楚呢？就像誰(shuí)能想到巴西在7分鐘內(nèi)被德意志戰(zhàn)車(chē)連灌4球，顛覆了幾代球迷的足球觀。若說(shuō)不是，那么當(dāng)今世界知名車(chē)廠都在積極部署碳纖維的研究與產(chǎn)業(yè)，難道都在打糊涂牌嗎？本文姑且拋磚引玉，梳理一下碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)中的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，希望能引發(fā)大家展開(kāi)一場(chǎng)開(kāi)放性的討論。



這是一個(gè)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的年代，無(wú)論討論任何產(chǎn)業(yè)問(wèn)題，歸根結(jié)底就是在算一筆經(jīng)濟(jì)賬。因此選題的核心就是碳纖維材料的使用是否能讓未來(lái)汽車(chē)具備更合理的成本、利潤(rùn)競(jìng)爭(zhēng)力。為了研究這個(gè)問(wèn)題，我們來(lái)逐步展開(kāi)分析。



首先，我們應(yīng)該知道碳纖維復(fù)合材料究竟是什么？碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是由作為增強(qiáng)材料的碳纖維和作為基體材料的樹(shù)脂組成（可以看成為1+1）。而一般復(fù)合材料的性能是優(yōu)于其組分材料性能的，并且產(chǎn)生了一些原有組分材料所沒(méi)有的性能（可以理解為1+1>2）。既然碳纖維復(fù)合材料有可能作為未來(lái)汽車(chē)的備選材料之一，那么它究竟能給汽車(chē)帶來(lái)哪些令人驚喜的好處呢？為了讓大家更好地理解，我們先來(lái)聊聊一個(gè)工業(yè)史上的大家伙——Boing787夢(mèng)想飛機(jī)，通過(guò)縱向類比，引出兩個(gè)核心意義。 123456



●兩個(gè)核心意義

　　如今在北京飛往廣州的航線上，我們已經(jīng)可以選擇Boing787機(jī)型了，體驗(yàn)過(guò)的朋友向我描述了Boing787夢(mèng)幻的外形、寬敞客艙、加大舷窗、加大行李箱、夢(mèng)幻LED顯示屏…但這些都不是航空公司爭(zhēng)先采購(gòu)Boing787的理由，做生意，真正關(guān)心的就是效益和利潤(rùn)！因此Boeing787對(duì)于航空運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)最大價(jià)值在于比同類飛機(jī)的飛行過(guò)程節(jié)能20%的燃油，總廢棄排放量減少20%（碳排放超額可是要收稅的?。?，比同類飛機(jī)降低噪音60%以上！而這一系列的優(yōu)良的運(yùn)營(yíng)指標(biāo)都可以大致地歸納為兩方面的貢獻(xiàn)，一是飛機(jī)整體重量減輕，二是飛機(jī)的主翼可以采取前所未有的設(shè)計(jì)來(lái)降低阻力。而這兩點(diǎn)革命性的突破恰恰就在于Boing787飛機(jī)的碳纖維復(fù)合材料使用量占到了全機(jī)體積的80%！沒(méi)錯(cuò)，你可以說(shuō)這是一架塑料飛機(jī)。從Boing787的啟示中我們可以看到，碳纖維復(fù)合材料對(duì)于工程產(chǎn)品的關(guān)鍵意義就在于輕質(zhì)高強(qiáng)和優(yōu)良的可設(shè)計(jì)性！

首先，汽車(chē)工業(yè)上常用的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的密度為1.5-2.0g/立方厘米，這只有普通碳鋼的1/4-1/5，比常用的鋁合金還要輕1/3左右，但碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能優(yōu)于金屬材料，其抗拉強(qiáng)度高于鋼材3-4倍，剛度高于鋼材2-3倍。使用碳纖維材料，在減輕車(chē)身質(zhì)量的同時(shí)，也可使得功率需求更小，進(jìn)而采用更小驅(qū)動(dòng)引擎和懸掛裝置，通過(guò)減少動(dòng)能而減少?zèng)_擊危險(xiǎn)，這種螺旋迭代式的結(jié)果將使得車(chē)身質(zhì)量進(jìn)一步減輕。因此，用碳纖維復(fù)合材料替換原來(lái)的鋼制件，其輕量化效果明顯。



（前面說(shuō)到，Boing787的機(jī)翼，因?yàn)槭褂昧颂祭w維復(fù)合材料，所以能夠設(shè)計(jì)出阻力非常小的機(jī)翼，要知道，使用傳統(tǒng)的材料和工藝，是幾乎不可能制造出形如Boing787類似機(jī)翼的。因此可以看出，碳纖維復(fù)合材料可以根據(jù)不同的用途要求，靈活地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受力情況，通過(guò)調(diào)整纖維的種類、含量，鋪層方向和順序，在一定范圍內(nèi)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)材料強(qiáng)度、彈性和方向性的要求。例如，受有內(nèi)壓的薄壁圓管，已知縱向截面上的應(yīng)力為橫向截面上應(yīng)力的兩倍，因此，可以使用2：1的經(jīng)緯交織纖維，使環(huán)向強(qiáng)度為軸向強(qiáng)度的兩倍，從而獲得具有相同強(qiáng)度儲(chǔ)備的結(jié)構(gòu)，且大大降低了結(jié)構(gòu)重量。在傳統(tǒng)的金屬材料中，由于各項(xiàng)同性，往往滿足了最大受力方向的技術(shù)要求后另一方向的強(qiáng)度就會(huì)過(guò)剩，這無(wú)疑又增加了結(jié)構(gòu)的重量。）

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　　汽車(chē)，尤其是跑車(chē)在設(shè)計(jì)時(shí)往往需要考慮空氣阻力最小的外形，同時(shí)兼顧美觀性。在傳統(tǒng)的鋼制薄板沖壓成型時(shí)由于工藝的原因?qū)е峦庑魏徒Y(jié)構(gòu)有一定局限性，而采用復(fù)合材料成型則是可以不受約束地制作出各種滿足空氣動(dòng)力學(xué)原理及美觀需求的外形曲面。



當(dāng)然，除了有利于減輕車(chē)身重量并具備優(yōu)良的可設(shè)計(jì)性外，碳纖維復(fù)合材料還有一些獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，例如良好的耐沖擊性和耐腐蝕性。這樣的性能使得汽車(chē)零部件具有較長(zhǎng)的使用壽命和極低的維修費(fèi)用。

●主要應(yīng)用

　　碳纖維材料在成型的時(shí)候有一個(gè)很突出的特點(diǎn)，那就是能夠?qū)⒉煌穸鹊牧慵⑼蛊鸩?、筋、棱等全部一體成型。這樣便為汽車(chē)結(jié)構(gòu)的模塊化、整體化制造奠定了良好的基礎(chǔ)，在一些先進(jìn)車(chē)廠的車(chē)型中我們可以看到類似的應(yīng)用，比如寶馬i系列電動(dòng)車(chē)的模塊化車(chē)身制造理念”LifeDrive”結(jié)構(gòu)，就是大量采用輕量化并且高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成。 123,123




奔馳公司的SLR Mclaren同樣也嘗試了全碳纖維材料的應(yīng)用，其車(chē)身呈現(xiàn)尖塔狀的碳纖維潰縮柱由無(wú)數(shù)根粗壯的碳纖維經(jīng)過(guò)編織而成，雖然結(jié)構(gòu)依然無(wú)比堅(jiān)硬，但是它能夠在正面碰撞時(shí)破碎成無(wú)數(shù)細(xì)小的碎片，來(lái)吸收大量的撞擊能量（據(jù)估計(jì)相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)可吸收能量的4倍），并且碎片不會(huì)對(duì)乘客造成傷害，這一點(diǎn)非常類似于汽車(chē)鋼化玻璃破碎的原理。



●能否普及，效益是關(guān)鍵

　　我們前面討論的都是碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能，然而，事有兩面，目前主要的弊端是難以提供質(zhì)量穩(wěn)定，能夠滿足汽車(chē)部件力學(xué)強(qiáng)度需要的低成本碳纖維材料；再者，還需要研發(fā)能夠批量制備復(fù)雜形狀的高性能汽車(chē)部件碳纖維復(fù)合材料成型技術(shù)。目前我們國(guó)內(nèi)在碳纖維復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究及成型技術(shù)等實(shí)際應(yīng)用上總體落后于國(guó)外，大部分碳纖維原絲及織物都依賴進(jìn)口。此外，碳纖維基本上不可降解，不可重復(fù)使用，而且根據(jù)豐田汽車(chē)的一項(xiàng)研究表明，碳纖維在生產(chǎn)過(guò)程中需要排放更多的二氧化碳，并會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣污水，同時(shí)碳纖維的生產(chǎn)過(guò)程極易對(duì)工人造成各種呼吸道和皮膚危害，所以該材料是否環(huán)保還有待論證。這些因素，我們都可以將其折算成為整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)上的成本附加值。

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●寫(xiě)在最后

　　其實(shí)，用戶真的很在乎汽車(chē)究竟使用的是傳統(tǒng)鋁合金等金屬材料還是碳纖維復(fù)合材料嗎？最終,車(chē)身的輕質(zhì)高強(qiáng)和優(yōu)良的可設(shè)計(jì)性很大程度上是通過(guò)油耗這一經(jīng)濟(jì)指標(biāo)反饋到用戶體驗(yàn)上的。因此，在討論碳纖維復(fù)合材料是否是未來(lái)汽車(chē)最好的材料選擇時(shí)，用戶與車(chē)廠不光會(huì)考慮碳纖維復(fù)合材料的先進(jìn)性能，還會(huì)考察在考慮汽車(chē)的全生命周期下（從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、環(huán)境處理到用戶用車(chē)至退役的全過(guò)程），使用碳纖維所造成的額外成本與今后的油耗等經(jīng)濟(jì)效益相比是否劃得來(lái)，如果這個(gè)差距逐漸減少且最終趨于合理，那么我們又有什么理由去拒絕新材料、新技術(shù)給生活帶來(lái)的全新體驗(yàn)?zāi)兀?br />

來(lái)源：搜狐汽車(chē)