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    碳纖維複合材料在汽車工業中的優缺點及應用現狀

    時間:2015年06月09日 點擊:收藏此文 【字體:

    核心提示:碳纖維複合材料真的是未來汽車最好的材料選擇嗎?這是一個很開放的問題,若說是,未來的發展誰又
    碳纖維複合材料真的是未來汽車最好的材料選擇嗎?這是一個很開放的問題,若說是,未來的發展誰又能說清楚呢?就像誰能想到巴西在7分鍾內被德意誌戰車連灌4球,顛覆了幾代球迷的足球觀。若說不是,那麽當今世界知名車廠都在積極部署碳纖維的研究與產業,難道都在打糊塗牌嗎?本文姑且拋磚引玉,梳理一下碳纖維複合材料在汽車工業中的優缺點及應用現狀,希望能引發大家展開一場開放性的討論。

    這是一個市場經濟的年代,無論討論任何產業問題,歸根結底就是在算一筆經濟賬。因此選題的核心就是碳纖維材料的使用是否能讓未來汽車具備更合理的成本、利潤競爭力。為了研究這個問題,97资源來逐步展開分析。
          

     
    首先,97资源應該知道碳纖維複合材料究竟是什麽?碳纖維複合材料(CFRP)是由作為增強材料的碳纖維和作為基體材料的樹脂組成(可以看成為1+1)。而一般複合材料的性能是優於其組分材料性能的,並且產生了一些原有組分材料所沒有的性能(可以理解為1+1>2)。既然碳纖維複合材料有可能作為未來汽車的備選材料之一,那麽它究竟能給汽車帶來哪些令人驚喜的好處呢?為了讓大家更好地理解,97资源先來聊聊一個工業史上的大家夥——Boing787夢想飛機,通過縱向類比,引出兩個核心意義。


    ●兩個核心意義

    如今在北京飛往廣州的航線上,97资源已經可以選擇Boing787機型了,體驗過的朋友向我描述了Boing787夢幻的外形、寬敞客艙、加大舷窗、加大行李箱、夢幻LED顯示屏…但這些都不是航空公司爭先采購Boing787的理由,做生意,真正關心的就是效益和利潤!因此Boing787對於航空運營商來說最大價值在於比同類飛機的飛行過程節能20%的燃油,總廢棄排放量減少20%(碳排放超額可是要收稅的!),比同類飛機降低噪音60%以上!而這一係列的優良的運營指標都可以大致地歸納為兩方麵的貢獻,一是飛機整體重量減輕,二是飛機的主翼可以采取前所未有的設計來降低阻力。而這兩點革命性的突破恰恰就在於Boing787飛機的碳纖維複合材料使用量占到了全機體積的80%!沒錯,你可以說這是一架塑料飛機。從Boing787的啟示中97资源可以看到,碳纖維複合材料對於工程產品的關鍵意義就在於輕質高強和優良的可設計性!

    首先,汽車工業上常用的碳纖維增強樹脂基複合材料的密度為1.5-2.0g/立方厘米,這隻有普通碳鋼的1/4-1/5,比常用的鋁合金還要輕1/3左右,但碳纖維複合材料的機械性能優於金屬材料,其抗拉強度高於鋼材3-4倍,剛度高於鋼材2-3倍。使用碳纖維材料,在減輕車身質量的同時,也可使得功率需求更小,進而采用更小驅動引擎和懸掛裝置,通過減少動能而減少衝擊危險,這種螺旋迭代式的結果將使得車身質量進一步減輕。因此,用碳纖維複合材料替換原來的鋼製件,其輕量化效果明顯。

    (前麵說到,Boing787的機翼,因為使用了碳纖維複合材料,所以能夠設計出阻力非常小的機翼,要知道,使用傳統的材料和工藝,是幾乎不可能製造出形如Boing787類似機翼的。因此可以看出,碳纖維複合材料可以根據不同的用途要求,靈活地進行產品設計,根據產品結構受力情況,通過調整纖維的種類、含量,鋪層方向和順序,在一定範圍內滿足結構設計中對材料強度、彈性和方向性的要求。例如,受有內壓的薄壁圓管,已知縱向截麵上的應力為橫向截麵上應力的兩倍,因此,可以使用2:1的經緯交織纖維,使環向強度為軸向強度的兩倍,從而獲得具有相同強度儲備的結構,且大大降低了結構重量。在傳統的金屬材料中,由於各項同性,往往滿足了最大受力方向的技術要求後另一方向的強度就會過剩,這無疑又增加了結構的重量。)

    汽車,尤其是跑車在設計時往往需要考慮空氣阻力最小的外形,同時兼顧美觀性。在傳統的鋼製薄板衝壓成型時由於工藝的原因導致外形和結構有一定局限性,而采用複合材料成型則是可以不受約束地製作出各種滿足空氣動力學原理及美觀需求的外形曲麵。

    當然,除了有利於減輕車身重量並具備優良的可設計性外,碳纖維複合材料還有一些獨有的優點,例如良好的耐衝擊性和耐腐蝕性。這樣的性能使得汽車零部件具有較長的使用壽命和極低的維修費用。


    ●主要應用

    碳纖維材料在成型的時候有一個很突出的特點,那就是能夠將不同厚度的零件、凸起部、筋、棱等全部一體成型。這樣便為汽車結構的模塊化、整體化製造奠定了良好的基礎,在一些先進車廠的車型中97资源可以看到類似的應用,比如寶馬i係列電動車的模塊化車身製造理念”LifeDrive”結構,就是大量采用輕量化並且高強度的碳纖維複合材料構成。

    奔馳公司的SLR Mclaren同樣也嚐試了全碳纖維材料的應用,其車身呈現尖塔狀的碳纖維潰縮柱由無數根粗壯的碳纖維經過編織而成,雖然結構依然無比堅硬,但是它能夠在正麵碰撞時破碎成無數細小的碎片,來吸收大量的撞擊能量(據估計相當於鋼結構可吸收能量的4倍),並且碎片不會對乘客造成傷害,這一點非常類似於汽車鋼化玻璃破碎的原理。

    ●能否普及,效益是關鍵

    97资源前麵討論的都是碳纖維複合材料的優異性能,然而,事有兩麵,目前主要的弊端是難以提供質量穩定,能夠滿足汽車部件力學強度需要的低成本碳纖維材料;再者,還需要研發能夠批量製備複雜形狀的高性能汽車部件碳纖維複合材料成型技術。目前97资源國內在碳纖維複合材料的基礎研究及成型技術等實際應用上總體落後於國外,大部分碳纖維原絲及織物都依賴進口。此外,碳纖維基本上不可降解,不可重複使用,而且根據豐田汽車的一項研究表明,碳纖維在生產過程中需要排放更多的二氧化碳,並會產生大量的廢氣汙水,同時碳纖維的生產過程極易對工人造成各種呼吸道和皮膚危害,所以該材料是否環保還有待論證。這些因素,97资源都可以將其折算成為整個生產環節上的成本附加值。

    ●寫在最後

    其實,用戶真的很在乎汽車究竟使用的是傳統鋁合金等金屬材料還是碳纖維複合材料嗎?最終,車身的輕質高強和優良的可設計性很大程度上是通過油耗這一經濟指標反饋到用戶體驗上的。因此,在討論碳纖維複合材料是否是未來汽車最好的材料選擇時,用戶與車廠不光會考慮碳纖維複合材料的先進性能,還會考察在考慮汽車的全生命周期下(從產品的設計、製造、環境處理到用戶用車至退役的全過程),使用碳纖維所造成的額外成本與今後的油耗等經濟效益相比是否劃得來,如果這個差距逐漸減少且最終趨於合理,那麽97资源又有什麽理由去拒絕新材料、新技術給生活帶來的全新體驗呢?
    (作者:97资源 編輯:hsdfj)