輕量化未來 汽車制造新寵碳纖維材料揭秘

有時(shí)候我們會(huì)在汽車領(lǐng)域里面發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有意思的現(xiàn)實(shí)，那就是如果你希望汽車在移動(dòng)的時(shí)候能夠更少的對(duì)環(huán)境造成影響，那么最好的方式就是盡可能少的移動(dòng)較少的質(zhì)量的物體。如果換一句話來說，就是說，我們要讓交通工具的重量盡可能的輕質(zhì)化，越輕越好。當(dāng)然了，我們所謂的汽車輕量化，是指要在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能多地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗以降低排氣污染。

汽車輕量化的好處多多。研究顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升，汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。此外，車輛每減重100公斤，二氧化碳的排放量可減少約5克每公里，因此，汽車輕量化對(duì)于節(jié)約能源、減少廢氣排放十分重要。在駕駛方面，輕量化以后，汽車的整體加速性將會(huì)得到顯著提高，操控的靈敏性隨之變高，車輛控制的穩(wěn)定性、噪音、振動(dòng)等方面也均有改善。

　　輕量化的手段無非就是對(duì)汽車總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車零部件的精簡、整體化和輕質(zhì)化。結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)主要包括以下三個(gè)方面：一是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小車身骨架及車身鋼板的質(zhì)量，對(duì)車身強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，確保汽車在滿足性能的前提下減輕自重。二是通過結(jié)構(gòu)的小型化促進(jìn)汽車輕量化，主要通過其主要功能部件在同等使用性能不變的情況下縮小尺寸。三是采取運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)方式的變化來達(dá)到目的，比如采用轎車發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等，使結(jié)構(gòu)更緊湊，或采取發(fā)動(dòng)機(jī)后置后驅(qū)的方式，達(dá)到使整車局部變小，實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。

　　對(duì)于第一個(gè)要點(diǎn)，汽車制造商們都在為之努力。例如奧迪以及捷豹之類的著名車商都在這方面是比較擅長的，尤其是在利用金屬鋁進(jìn)行量產(chǎn)方面。輕量化的最主要手段就是輕質(zhì)材料的大量應(yīng)用，如鋁、鎂、陶瓷、塑料、碳纖維復(fù)合材料等。機(jī)體是發(fā)動(dòng)機(jī)中單件質(zhì)量最大的零件，一般都超過發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的1/4，甚至接近1/3。與鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)相比，全鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)可以輕一半的重量。后來是鋁鎂合金在汽車上的廣泛使用，鎂合金的密度為1.8克每立方厘米，是鋁合金的2/3，不足鋼的1/4。早在1938年，大眾就第一次對(duì)甲殼蟲轎車的變速器殼體使用鎂合金材料，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于車身、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、懸架等部件。豐田的1ZZ-FE發(fā)動(dòng)機(jī)，使用塑料進(jìn)氣管、不銹鋼制的排氣管等各種輕量化零件，被豐田宣布為世界上同排量中最輕的一款，只有96公斤。后來，豐田的"1/X"混合動(dòng)力車車身骨架通過采用重量更輕、剛性更強(qiáng)的CFRP（即碳纖維復(fù)合材料），車體重量僅為420kg，這款車曾創(chuàng)造出百公里耗油2.7升的超低燃耗紀(jì)錄。不過我們現(xiàn)在必須要面對(duì)的一個(gè)現(xiàn)實(shí)就是，在這場(chǎng)戰(zhàn)斗之中，我們現(xiàn)在比較出色的前鋒，也就是質(zhì)量十分輕盈的碳纖維，還沒有能成為我們的主力戰(zhàn)斗力量。其實(shí)，碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，抗拉強(qiáng)度卻達(dá)到鋼的7-9倍，以其制造的汽車可以節(jié)約燃油30％。碳纖維最初只應(yīng)用于軍事、航空航天等高科技領(lǐng)域，隨著近年來碳纖維行業(yè)的逐步發(fā)展，才慢慢向汽車以及其他民用領(lǐng)域擴(kuò)展。

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豐田的"1/X"混合動(dòng)力車CFRP車身骨架

那么碳纖維材料到底是不是這一技術(shù)領(lǐng)域的"圣杯"？我們要知道碳纖維材料并不是價(jià)格昂貴那么簡單，而是將其制成你需要的東西，花費(fèi)的成本實(shí)在是太大了。單一的碳纖維實(shí)體的粗細(xì)要比一根人類的頭發(fā)微小得多，但是只有無數(shù)的單一實(shí)體交織在一起之后，才會(huì)有用。碳纖維在與合成樹脂相互滲透之后，我們就會(huì)得到碳纖維材料。這種材料的特點(diǎn)是十分的輕盈，并且十分的堅(jiān)固耐用。但是現(xiàn)在的矛盾就在于，制造這樣的材料十分的費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不亞于徒手播種小麥并且收割，所以大量的量產(chǎn)這種材料仍舊難以實(shí)現(xiàn)。

　　蘭博基尼是我們大家所熟悉的跑車品牌，歸于德國三大汽車巨頭ABB之一的奧迪所有。這家公司還和波音航空公司攜手開發(fā)碳纖維材料，用于制造汽車。蘭博基尼的著名車型Aventador相信大家已經(jīng)耳熟能詳，不需要我們做過多的介紹了。但是這款車到底是如何才能夠如此的迅猛，在材料選擇上面值得我們研究一下。 copyright 123456

　　大家猜得不錯(cuò)，Aventador就是使用了一系列的碳纖維材料制造的元件，并且結(jié)合了金屬鋁制造的車身框架。整個(gè)車體的槽座部分都是采用碳纖維材料制成的，但是碳纖維也有兩種不同的制作方式。

　　預(yù)浸料碳纖維材料

　　這個(gè)名字聽起來比較怪，不過這種材料也就是碳纖維與樹脂的相互滲透而成的。這種碳纖維需要冷藏保存，不能讓其變形，就和已經(jīng)做好的松餅一樣。然后切割成需要的形狀，放在用以成型的模具里面。為了保證材料的強(qiáng)度，材料里面不能混有氣泡。這樣的半成品將會(huì)被放入一個(gè)巨大的烤箱里面，這個(gè)烤箱就是高壓滅菌器。高壓滅菌器的工作原理類似高壓鍋，可以針對(duì)材料加熱的同時(shí)也消除掉其中的氣泡，使得材料符合我們最后的成品要求。預(yù)浸料碳纖維材料的價(jià)格昂貴，但同時(shí)也比較容易產(chǎn)生光滑閃耀的外表，在蘭博基尼Aventador上面，一般是面板的部分用這款材料來制造。 內(nèi)容來自123456

　　RTM法碳纖維材料

　　在未加工的材料形態(tài)下，整個(gè)車體的槽座的下半部分看上去是不怎么討人喜歡的，四四方方的一個(gè)東西，也沒有什么吸引力能夠吸引你坐進(jìn)去。RTM的全稱是ResinTransferMoulding（意為樹脂轉(zhuǎn)換模塑），在成型的過程之中，碳纖維原料被切割成合適的形狀，放置在一個(gè)很大的成型模具里面，實(shí)現(xiàn)"預(yù)成型"。然后再與另外一個(gè)大模具組裝起來，連同剛才我們介紹的預(yù)浸料碳纖維材料一起，在高壓狀態(tài)下注入樹脂。這樣出來的就是一個(gè)完整的，非常漂亮的單體橫造件，可以用來固定懸掛以及發(fā)動(dòng)機(jī)的框架。


碳纖維材料制造的作業(yè)工具只能使用約莫500次左右，然后就需要報(bào)廢。否則再制造出來的產(chǎn)品就不適用于超級(jí)跑車了。如果需要更大的量，就要使用鋼制件的加入。

　　我國對(duì)碳纖維的研究開始于20世紀(jì)60年代，80年代開始研究高強(qiáng)型碳纖維。多年來進(jìn)展緩慢，但也取得了一定成績。進(jìn)入21世紀(jì)以來發(fā)展較快，安徽華皖碳纖維公司率先引進(jìn)了500噸每年的原絲、200噸每年的PAN基碳纖維（只有東麗碳纖維T300水平），使我國碳纖維工業(yè)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化。隨后我國碳纖維制造開始向技術(shù)多元化發(fā)展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術(shù)，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術(shù)獲得成功。目前利用自主技術(shù)研制的少數(shù)國產(chǎn)T300、T700碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。隨著近年來我國對(duì)碳纖維的需求量日益增長，碳纖維已被列為國家化纖行業(yè)重點(diǎn)扶持的新產(chǎn)品，成為國內(nèi)新材料行業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)。

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　　目前，阻礙碳纖維在汽車領(lǐng)域商品化的關(guān)鍵因素是制造成本。不過，隨著碳纖維行業(yè)的不斷成熟與發(fā)展，以及節(jié)能減排和汽車輕量化大方向的指引，碳纖維材料或成汽車界"瘦身革命"的領(lǐng)導(dǎo)者。可以預(yù)見，碳纖維輕量車身必將掀起一股新的變革潮流，一個(gè)新的市場(chǎng)突破點(diǎn)正在形成。