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[材料应用] 轻量化未来 汽车制造新宠碳纤维材料揭秘 |
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有时候我们会在汽车领域里面发现一个很有意思的现实，那就是如果你希望汽车在移动的时候能够更少的对环境造成影响，那么最好的方式就是尽可能少的移动较少的质量的物体。如果换一句话来说，就是说，我们要让交通工具的重量尽可能的轻质化，越轻越好。当然了，我们所谓的汽车轻量化，是指要在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能多地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗以降低排气污染。 汽车轻量化的好处多多。研究显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升，汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。此外，车辆每减重100公斤，二氧化碳的排放量可减少约5克每公里，因此，汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要。在驾驶方面，轻量化以后，汽车的整体加速性将会得到显著提高，操控的灵敏性随之变高，车辆控制的稳定性、噪音、振动等方面也均有改善。 轻量化的手段无非就是对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化。结构合理设计主要包括以下三个方面：一是通过结构优化设计，减小车身骨架及车身钢板的质量，对车身强度和刚度进行校核，确保汽车在满足性能的前提下减轻自重。二是通过结构的小型化促进汽车轻量化，主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下缩小尺寸。三是采取运动结构方式的变化来达到目的，比如采用轿车发动机前置前驱和超轻悬架结构等，使结构更紧凑，或采取发动机后置后驱的方式，达到使整车局部变小，实现轻量化的目标。 对于第一个要点，汽车制造商们都在为之努力。例如奥迪以及捷豹之类的著名车商都在这方面是比较擅长的，尤其是在利用金属铝进行量产方面。轻量化的最主要手段就是轻质材料的大量应用，如铝、镁、陶瓷、塑料、碳纤维复合材料等。机体是发动机中单件质量最大的零件，一般都超过发动机质量的1/4，甚至接近1/3。与铸铁发动机相比，全铝合金发动机可以轻一半的重量。后来是铝镁合金在汽车上的广泛使用，镁合金的密度为1.8克每立方厘米，是铝合金的2/3，不足钢的1/4。早在1938年，大众就第一次对甲壳虫轿车的变速器壳体使用镁合金材料，现已广泛应用于车身、发动机、变速器、悬架等部件。丰田的1ZZ-FE发动机，使用塑料进气管、不锈钢制的排气管等各种轻量化零件，被丰田宣布为世界上同排量中最轻的一款，只有96公斤。后来，丰田的"1/X"混合动力车车身骨架通过采用重量更轻、刚性更强的CFRP（即碳纤维复合材料），车体重量仅为420kg，这款车曾创造出百公里耗油2.7升的超低燃耗纪录。不过我们现在必须要面对的一个现实就是，在这场战斗之中，我们现在比较出色的前锋，也就是质量十分轻盈的碳纤维，还没有能成为我们的主力战斗力量。其实，碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，抗拉强度却达到钢的7-9倍，以其制造的汽车可以节约燃油30％。碳纤维最初只应用于军事、航空航天等高科技领域，随着近年来碳纤维行业的逐步发展，才慢慢向汽车以及其他民用领域扩展。  丰田的"1/X"混合动力车CFRP车身骨架 那么碳纤维材料到底是不是这一技术领域的"圣杯"？我们要知道碳纤维材料并不是价格昂贵那么简单，而是将其制成你需要的东西，花费的成本实在是太大了。单一的碳纤维实体的粗细要比一根人类的头发微小得多，但是只有无数的单一实体交织在一起之后，才会有用。碳纤维在与合成树脂相互渗透之后，我们就会得到碳纤维材料。这种材料的特点是十分的轻盈，并且十分的坚固耐用。但是现在的矛盾就在于，制造这样的材料十分的费时费力，不亚于徒手播种小麦并且收割，所以大量的量产这种材料仍旧难以实现。 兰博基尼是我们大家所熟悉的跑车品牌，归于德国三大汽车巨头ABB之一的奥迪所有。这家公司还和波音航空公司携手开发碳纤维材料，用于制造汽车。兰博基尼的著名车型Aventador相信大家已经耳熟能详，不需要我们做过多的介绍了。但是这款车到底是如何才能够如此的迅猛，在材料选择上面值得我们研究一下。 大家猜得不错，Aventador就是使用了一系列的碳纤维材料制造的元件，并且结合了金属铝制造的车身框架。整个车体的槽座部分都是采用碳纤维材料制成的，但是碳纤维也有两种不同的制作方式。 预浸料碳纤维材料 这个名字听起来比较怪，不过这种材料也就是碳纤维与树脂的相互渗透而成的。这种碳纤维需要冷藏保存，不能让其变形，就和已经做好的松饼一样。然后切割成需要的形状，放在用以成型的模具里面。为了保证材料的强度，材料里面不能混有气泡。这样的半成品将会被放入一个巨大的烤箱里面，这个烤箱就是高压灭菌器。高压灭菌器的工作原理类似高压锅，可以针对材料加热的同时也消除掉其中的气泡，使得材料符合我们最后的成品要求。预浸料碳纤维材料的价格昂贵，但同时也比较容易产生光滑闪耀的外表，在兰博基尼Aventador上面，一般是面板的部分用这款材料来制造。 RTM法碳纤维材料 在未加工的材料形态下，整个车体的槽座的下半部分看上去是不怎么讨人喜欢的，四四方方的一个东西，也没有什么吸引力能够吸引你坐进去。RTM的全称是ResinTransferMoulding（意为树脂转换模塑），在成型的过程之中，碳纤维原料被切割成合适的形状，放置在一个很大的成型模具里面，实现"预成型"。然后再与另外一个大模具组装起来，连同刚才我们介绍的预浸料碳纤维材料一起，在高压状态下注入树脂。这样出来的就是一个完整的，非常漂亮的单体横造件，可以用来固定悬挂以及发动机的框架。 碳纤维材料制造的作业工具只能使用约莫500次左右，然后就需要报废。否则再制造出来的产品就不适用于超级跑车了。如果需要更大的量，就要使用钢制件的加入。 我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨每年的原丝、200吨每年的PAN基碳纤维（只有东丽碳纤维T300水平），使我国碳纤维工业进入了产业化。随后我国碳纤维制造开始向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。随着近年来我国对碳纤维的需求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料行业研发的热点。 目前，阻碍碳纤维在汽车领域商品化的关键因素是制造成本。不过，随着碳纤维行业的不断成熟与发展，以及节能减排和汽车轻量化大方向的指引，碳纤维材料或成汽车界"瘦身革命"的领导者。可以预见，碳纤维轻量车身必将掀起一股新的变革潮流，一个新的市场突破点正在形成。 | |
发表于 2015-11-11 01:26:23
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