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轻量化未来 汽车制造新宠碳纤维材料揭秘

文章出处:网络责任编辑:管理员人气:发表时间:2015-06-24【

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。 内容来自123456

  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。

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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。 内容来自123456

  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。

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  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。
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  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。 
 

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