推進(jìn)碳纖維復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）因其重量輕，而且具有高強(qiáng)度、高剛性和良好的耐蠕變性和耐腐蝕性等特點，一直被認(rèn)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(rèn)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。



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(fù)責(zé)人，后來負(fù)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。” 本文來自123

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(qiáng)度和剛性，可以根據(jù)不同的目的進(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，他們不只簡單地認(rèn)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(rèn)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(rèn)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。 123456

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。

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(jìn)行優(yōu)化，從而獲得不同強(qiáng)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(qiáng)的碳纖維）進(jìn)行下一步的應(yīng)用試制。

此外他們還要對基體材料進(jìn)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(jìn)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。

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第二方面就是生產(chǎn)工藝，也是Scott-Geddes認(rèn)為是最具挑戰(zhàn)性的一個方面。該研究小組采用的解決方案核心技術(shù)來自于其他領(lǐng)域聚合物加工的一項特殊成型工藝。雖然Scott-Geddes沒有披露具體的信息，但是他表示這種生產(chǎn)工藝可以滿足技術(shù)和成本雙方面的要求。據(jù)稱該小組已經(jīng)建立了一個試行方案，將與汽車制造商進(jìn)行零部件的試制。

第三個方面是散裝材料成本問題，但是Scott-Geddes認(rèn)為隨著目前生產(chǎn)工藝的升級，訂單量的增加也會使采購價格降低。Caparo公司已經(jīng)與一些原材料供應(yīng)進(jìn)行接觸，希望通過產(chǎn)能的增加來達(dá)到成本和價格的目標(biāo)。

此外，Caparo公司計劃斥資1000萬美元在印度欽奈市建立一個全新的碳纖維復(fù)合材料零部件的生產(chǎn)設(shè)施。該設(shè)施預(yù)計在2010年投產(chǎn)，2015年之前預(yù)計年產(chǎn)能為10萬件。目前已經(jīng)有一些汽車制造商與Caparo公司展開合作，針對車型設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，以享受碳纖維復(fù)合材料零部件帶來的好處。

“我們目前采用的技術(shù)都比較保守，風(fēng)險也不高，”Scott-Geddes表示。“這些技術(shù)都已經(jīng)在其他材料加工領(lǐng)域獲得了成熟的應(yīng)用。我們只是從一個較大的工具箱中選擇我們想要的工具，而這個工具箱只是比以往汽車復(fù)合材料工程師想象的要大。這些材料最初將應(yīng)用于類似汽車緩沖區(qū)和安全區(qū)等方面，也就是那些傳統(tǒng)材料都可以帶來最明顯效果的地方。”