輕量化未來 汽車制造新寵碳纖維材料揭秘

有時候我們會在汽車領域里面發現一個很有意思的現實，那就是如果你希望汽車在移動的時候能夠更少的對環境造成影響，那么最好的方式就是盡可能少的移動較少的質量的物體。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化，越輕越好。當然了，我們所謂的汽車輕量化，是指要在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能多地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，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，汽車輕量化對于節約能源、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得到顯著提高，操控的靈敏性隨之變高，車輛控制的穩定性、噪音、振動等方面也均有改善。

　　輕量化的手段無非就是對汽車總體結構進行分析和優化，實現對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。結構合理設計主要包括以下三個方面：一是通過結構優化設計，減小車身骨架及車身鋼板的質量，對車身強度和剛度進行校核，確保汽車在滿足性能的前提下減輕自重。二是通過結構的小型化促進汽車輕量化，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。三是采取運動結構方式的變化來達到目的，比如采用轎車發動機前置前驅和超輕懸架結構等，使結構更緊湊，或采取發動機后置后驅的方式，達到使整車局部變小，實現輕量化的目標。

　　對于第一個要點，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行量產方面。輕量化的最主要手段就是輕質材料的大量應用，如鋁、鎂、陶瓷、塑料、碳纖維復合材料等。機體是發動機中單件質量最大的零件，一般都超過發動機質量的1/4，甚至接近1/3。與鑄鐵發動機相比，全鋁合金發動機可以輕一半的重量。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，大眾就第一次對甲殼蟲轎車的變速器殼體使用鎂合金材料，現已廣泛應用于車身、發動機、變速器、懸架等部件。豐田的1ZZ-FE發動機，使用塑料進氣管、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"混合動力車車身骨架通過采用重量更輕、剛性更強的CFRP（即碳纖維復合材料），車體重量僅為420kg，這款車曾創造出百公里耗油2.7升的超低燃耗紀錄。不過我們現在必須要面對的一個現實就是，在這場戰斗之中，我們現在比較出色的前鋒，也就是質量十分輕盈的碳纖維，還沒有能成為我們的主力戰斗力量。其實，碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，抗拉強度卻達到鋼的7-9倍，以其制造的汽車可以節約燃油30％。碳纖維最初只應用于軍事、航空航天等高科技領域，隨著近年來碳纖維行業的逐步發展，才慢慢向汽車以及其他民用領域擴展。

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豐田的"1/X"混合動力車CFRP車身骨架

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

　　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，Aventador就是使用了一系列的碳纖維材料制造的元件，并且結合了金屬鋁制造的車身框架。整個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。

　　預浸料碳纖維材料

　　這個名字聽起來比較怪，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。為了保證材料的強度，材料里面不能混有氣泡。這樣的半成品將會被放入一個巨大的烤箱里面，這個烤箱就是高壓滅菌器。高壓滅菌器的工作原理類似高壓鍋，可以針對材料加熱的同時也消除掉其中的氣泡，使得材料符合我們最后的成品要求。預浸料碳纖維材料的價格昂貴，但同時也比較容易產生光滑閃耀的外表，在蘭博基尼Aventador上面，一般是面板的部分用這款材料來制造。 內容來自123456

　　RTM法碳纖維材料

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


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

　　我國對碳纖維的研究開始于20世紀60年代，80年代開始研究高強型碳纖維。多年來進展緩慢，但也取得了一定成績。進入21世紀以來發展較快，安徽華皖碳纖維公司率先引進了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），使我國碳纖維工業進入了產業化。隨后我國碳纖維制造開始向技術多元化發展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術獲得成功。目前利用自主技術研制的少數國產T300、T700碳纖維產品已經達到國際同類產品水平。隨著近年來我國對碳纖維的需求量日益增長，碳纖維已被列為國家化纖行業重點扶持的新產品，成為國內新材料行業研發的熱點。

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　　目前，阻礙碳纖維在汽車領域商品化的關鍵因素是制造成本。不過，隨著碳纖維行業的不斷成熟與發展，以及節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"的領導者。可以預見，碳纖維輕量車身必將掀起一股新的變革潮流，一個新的市場突破點正在形成。