碳纖維復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料能在汽車中使用嗎?碳纖維復(fù)合材料(CFRP)因其重量輕，而且具有高強度、高剛性和良好的耐蠕變性和耐腐蝕性等特點，一直被認為是一種非常理想的汽車輕量化材料。但是長期以來，昂貴的價格一直阻礙著碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。不過，隨著成本效益比逐漸發(fā)生改變，這種材料在汽車生產(chǎn)上的大量應(yīng)用也許會成為現(xiàn)實。



全球材料專家Caparo公司汽車產(chǎn)品工程總監(jiān)Ben Scott-Geddes目前率領(lǐng)的一個研發(fā)小組正在針對一些新的復(fù)合材料和制造工藝展開研發(fā)工作，希望可以應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。他認為該項目的研究結(jié)果可以降低產(chǎn)品周期——這是造成碳纖維復(fù)合材料高成本的主要因素之一。


(前排左到右) David Skertchly, Gordon Murray, Angad Paul; 本文來自123
(后排左到右) Ben Scott-Geddes, Stephen Irish, Graham Halstead and Sean Butcher.

Scott-Geddes在汽車碳復(fù)合材料應(yīng)用方面有著豐富的經(jīng)驗，比如梅賽德斯-奔馳的高性能雙座轎車McLaren SLR的研發(fā)(他曾經(jīng)是復(fù)合材料和車身結(jié)構(gòu)部門的負責(zé)人，后來負責(zé)McLaren轎車高級概念小組)。這款車在當(dāng)時可算是異類，因為它的車身史無前例地大量使用了碳纖維復(fù)合材料。“成本問題在當(dāng)時不在我們考慮的范圍之內(nèi)，我們只想獲得最好的性能，最后我們充分了解了碳纖維復(fù)合材料的各種優(yōu)良性能，并在這輛車上得以充分地發(fā)揮，”他解釋道。“現(xiàn)在，我們要做的就是需要在合理的價格內(nèi)將這些性能在量產(chǎn)車上也體現(xiàn)出來。”

除了輕量化，碳纖維復(fù)合材料在碰撞吸能方面也具有顯著的性能：一般是鋼的六到七倍，是鋁的三到四倍。此外，通過調(diào)整，采用碳纖維復(fù)合材料的汽車部件還可以在不同的位置呈現(xiàn)不同的強度和剛性，可以根據(jù)不同的目的進行設(shè)計和優(yōu)化。

Scott-Geddes表示，碳纖維復(fù)合材料可以適應(yīng)各種氣候，疲勞壽命性能強于鋁和鋼。他還說，“相對其他性能，減重是讓汽車制造商最感興趣的，因為它可以改進車輛的燃油效率和排放性能。在設(shè)計人員利用這種材料的各種性能進行產(chǎn)品設(shè)計時，他們不只簡單地認為它是一種替代材料，而是這種材料還可以帶來更多的好處。”

Scott-Geddes認為碳纖維復(fù)合材料價格昂貴并不是材料本身的原因，而是因為目前所采用的制造技術(shù)最初是為了產(chǎn)量較低的航空業(yè)設(shè)計的。“我們對這種材料的所有認識包括生產(chǎn)方式都來自于航空業(yè)，而其成本、產(chǎn)量和技術(shù)指標(biāo)都與汽車業(yè)完全不同，”他表示。

因此Scott-Geddes率領(lǐng)的小組摒棄了以前的這些想法和做法，重新審視碳纖維復(fù)合材料可以應(yīng)用到汽車生產(chǎn)的哪些方面，然后從頭開發(fā)新的復(fù)合物和生產(chǎn)方式，使其可以以合理的價格應(yīng)用到批量生產(chǎn)中。該小組由一批專家組成，其中包括材料和加工專家、車輛結(jié)構(gòu)分析師以及汽車碰撞工程師等。

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研究小組目前已經(jīng)開始著手處理三個最基本的問題。首先，開發(fā)一系列專門的汽車用材料。針對碳纖維復(fù)合材料展開研究，了解纖維的生產(chǎn)方式以及該生產(chǎn)方式對材料結(jié)晶效果的影響，同時可以對材料性能進行優(yōu)化，從而獲得不同強度和剛性的復(fù)合物。最后確定某個復(fù)合物(比如經(jīng)過局部增強的碳纖維)進行下一步的應(yīng)用試制。

此外他們還要對基體材料進行驗證，主要基于一些與傳統(tǒng)高產(chǎn)量聚合物成型領(lǐng)域有關(guān)的成熟合成物技術(shù)，比如片狀模塑料(SMC)、熱塑性塑料和聚碳酸酯材料等。Caparo公司新開發(fā)的“可變基體”采用改進后的模內(nèi)澆注技術(shù)，讓幾種不同的材料融合到一個零件上，再次優(yōu)化了局部性能。