汽車行業(yè)節(jié)能減排的新方法--復(fù)合材料

更輕的汽車，更低的能耗

碳纖維復(fù)合材料將這一切變成了可能

復(fù)合材料已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間了。在航空業(yè)，碳纖維復(fù)合材料以及鋼、鋁等材料多年來(lái)一直是飛機(jī)機(jī)體的組成部分。幾十年來(lái)，造船業(yè)一直致力于打造玻璃纖維船。

定義

復(fù)合材料由多種材料組成的整體結(jié)構(gòu)，其屬性好于和強(qiáng)于各個(gè)單獨(dú)材料的總和。

屬性

復(fù)合材料具有多種形狀和尺寸，但最常見(jiàn)的復(fù)合材料包括被保護(hù)材料包裹的、具有極佳負(fù)載承受能力的纖維增強(qiáng)材料。在碳纖維復(fù)合材料中，根據(jù)材料所需的屬性以不同的形式編織碳纖維絲，然后使用可保護(hù)纖維并將材料固定到位的塑料進(jìn)行增強(qiáng)。

大多數(shù)情況下，使用復(fù)合材料會(huì)減輕移動(dòng)結(jié)構(gòu)的重量，因此降低了能耗。



斯德哥爾摩皇家理工學(xué)院航空與汽車工程系輕型結(jié)構(gòu)副教授 Malin Åkermo表示：“大多數(shù)情況下，使用復(fù)合材料會(huì)減輕移動(dòng)結(jié)構(gòu)的重量，因此降低了能耗。”

在過(guò)去，碳纖維的問(wèn)題在于原材料成本高昂，這又使得成品復(fù)合材料比大多數(shù)金屬要貴。但是，近年來(lái)生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展，成本也隨著世界各地大批量使用碳纖維產(chǎn)品而降低。

“碳纖維復(fù)合材料的大規(guī)模生產(chǎn)直到最近才真正出現(xiàn)。”Åkermo 表示。“近幾年來(lái)，在德國(guó)、英國(guó)等國(guó)家，碳纖維生產(chǎn)得到了快速發(fā)展。瑞典制造商也開(kāi)始生產(chǎn)碳纖維汽車部件。”她解釋道，低需求量是碳纖維制造成本高居不下的一個(gè)主要原因。

“到目前為止，燃料消耗的減少還不足以激勵(lì)生產(chǎn)商為降低汽車重量而負(fù)擔(dān)較高的成本。但是，隨著歐盟更嚴(yán)格的燃料排放法規(guī)的出臺(tái)，我們會(huì)看到越來(lái)越多的汽車使用碳纖維。”

然而，重量更輕只是復(fù)合材料的眾多優(yōu)點(diǎn)之一。當(dāng)構(gòu)建一種全新的材料時(shí)，您有機(jī)會(huì)賦予材料更多的功能。



Åkermo 說(shuō)：“目前最激動(dòng)人心的‘未來(lái)應(yīng)用’是使用多功能材料。我經(jīng)常舉的一個(gè)例子是結(jié)構(gòu)電池。碳纖維可以充入鋰離子，在使用合適的塑料進(jìn)行增強(qiáng)后，可以制造出既能承受負(fù)載，又能同時(shí)用作電池的材料。”

“另一個(gè)例子是能量收集。我們可以將致動(dòng)器嵌入復(fù)合材料中，從而將振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為能量。在飛行時(shí)，飛機(jī)機(jī)翼會(huì)輕微地上下運(yùn)動(dòng)。例如，我們可以利用這種能量運(yùn)行飛機(jī)上的空調(diào)。通過(guò)這種方式，您可以使產(chǎn)品變得更為智能。”



復(fù)合材料所需的構(gòu)建方法與鋼和鋁所用的方法有很大差別。例如，在復(fù)合材料中鉆孔便是一件更微妙的事情。“在復(fù)合材料中鉆孔時(shí)，需要同時(shí)穿過(guò)塑料和纖維，”Åkermo 表示。“這些材料具有不同的剛度，因此很容易損壞較軟的塑料。如果施加太大的壓力，層與層之間會(huì)出現(xiàn)裂紋。”

塑料的柔軟度也意味著螺母和螺栓的使用方式與它們?cè)阡摶蜾X中的使用方式有所不同。

“連接兩塊金屬時(shí)，通常使用扭矩扳手在孔的頂部施加一定壓力。但是復(fù)合材料上的蠕變[輕微移動(dòng)]意味著您無(wú)法確定對(duì)復(fù)合材料施加這種壓力是否適合，因此您必須使用帶有螺母和墊圈的螺紋接頭，這些部件會(huì)支撐結(jié)構(gòu)，而且不會(huì)在材料上產(chǎn)生摩擦。”



汽車行業(yè)是選擇將材料粘合在一起而不是在材料上鉆孔的行業(yè)之一。另一個(gè)解決方案是制造更大、更好的集成部件，而無(wú)需將各個(gè)部件接合在一起。實(shí)際上，沃爾沃的研究人員正在研究如何實(shí)現(xiàn)部件復(fù)雜性與尺寸之間的完美平衡，以使其具有成本效益。

對(duì)汽車制造商而言，制造碳纖維汽車的可行方法是在高檔汽車中引入碳纖維零件，以學(xué)習(xí)和完善生產(chǎn)工藝流程。

“寶馬建造了相對(duì)非常昂貴的 i3，它主要由碳纖維復(fù)合材料制成?，F(xiàn)在他們正在將碳纖維融入其他一些汽車的框架中，”Åkermo 表示。

在快速變化的交通世界中，毫無(wú)疑問(wèn)，作為節(jié)能減排努力的一部分，使車輛更加智能和更可持續(xù)是勢(shì)在必行的。如果越來(lái)越多地使用復(fù)合材料可以作為一種判斷依據(jù)的話，那么我們正在迎接一個(gè)充滿智慧的未來(lái)。