碳纖維與各種材料車身質(zhì)量優(yōu)勢對比

碳纖維復合材料將在汽車減重的努力中起到關(guān)鍵的作用，盡管會面臨批量生產(chǎn)的巨大挑戰(zhàn)。隨著環(huán)保規(guī)定趨于嚴格，以及汽車使用數(shù)量隨城市發(fā)展與日俱增，汽車工業(yè)不得不以新的方式思考問題。無論是混合動力還是純電動汽車，新的輕質(zhì)車身造型和蓄電池使用壽命已成為大眾關(guān)注的焦點。

最遲到2014年，幾乎所有汽車制造商都要提供混合動力車，而這只是個開始。德國杜伊斯堡-艾森大學汽車研究中心教授兼主任Ferdinand Dudenhffer談到了汽車制造技術(shù)方面的變革。他說：“到2025年，全球純?nèi)加托萝嚨姆蓊~將跌至35%。”根據(jù)另一項預測，在今后10年里，每年將售出大約2,400萬輛混合動力及電動汽車。Dudenh?ffer表示，這只是個保守數(shù)字。但是所有汽車制造商都要竭盡全力解決同樣的問題——重量。安裝蓄電池后，純電動汽車的重量會增加大約250公斤;充電式混合動力汽車則會增加約200公斤。

沃爾沃汽車公司正嘗試找到一個可行的解決方案。其瑞典哥德堡的工程師與英國倫敦帝國理工學院航空系的研究人員合作，研制出一種復合材料，這種材料由碳纖維和聚合物制成，可用作充電及能源儲存。這一努力的構(gòu)想是，未來沃爾沃汽車的車身將起到電化學蓄電池的作用。但是目前離實現(xiàn)這種解決方案還有多遠呢?

沃爾沃汽車材料中心開發(fā)工程師Per-Ivar Sellergren對此表示樂觀。他說：“如果一切按計劃進行，到2012年年底，我們就會有這種電化學蓄電池功能復合材料的汽車行李箱樣機。”而成本則是個問題，但Sellergren說，即使它仍比鋼和鋁貴很多，電動及混合動力汽車的未來還是取決于復合材料。

據(jù)沃爾沃計算，用新電池材料制造的發(fā)動機罩，其成本可能相當于原來的發(fā)動機罩加上一個鋰離子蓄電池。他說：“作為制造商，我們可以增加一點碳纖維發(fā)動機罩的成本，因為我們實際上是白白得到了蓄電池。” 轉(zhuǎn)載請注明中國碳纖維網(wǎng) cfrp.com.cn

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沃爾沃汽車公司復合材料專家Ulf Carlund指出，目前復合材料的加工方式過于緩慢，并且早期對傳統(tǒng)汽車制造廠的投資還需加以利用。這在一定程度上導致使用鋼材的傳統(tǒng)汽車制造商對復合材料無所適從。沃爾沃的專家們指出，盡管如此，但是現(xiàn)在變革的意愿非常強烈，公眾將會看到越來越多聚合物復合材料應(yīng)用到新型汽車的里里外外。

奧迪鋁制汽車A2已使該公司成為制造輕型汽車的先鋒。在公司位于德國南部內(nèi)卡蘇爾姆的“輕量化”中心，奧迪的工程師們不僅利用由母公司大眾汽車豪華車型布加迪開發(fā)的復合材料的技術(shù)及經(jīng)驗，而且還進一步發(fā)展其附屬公司蘭博基尼已采用的碳纖維技術(shù)。

在身價超過12萬歐元、每天只生產(chǎn)15至20輛的奧迪R8Spyder跑車中，奧迪在車頂行李箱的兩邊及頂部均采用了碳纖維增強聚合物。這樣做可使其在低成本的批量生產(chǎn)中更具成本效益，但要實現(xiàn)一個前提：可以用單個碳纖維零件代替多個鋁制零件。奧迪在Leichtbauzentrum的開發(fā)工程師Karl Durst說：“也許你只需要一種刀具，而不是五六種不同的刀具。”

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這里有多個項目在進行，在復合材料中加入纖維，就能提升與鋁相比的重量優(yōu)勢，這種重量優(yōu)勢從17～18%到25%不等。

項目的關(guān)鍵是，這種材料需要達到與鋁材相同的抗拉與抗壓負荷能力。Durst說，即使這樣，仍有若干大小問題需要解決，特別是復合材料與其它材料接合處的腐蝕問題。另外還有噪音，隨著汽車不斷減重，噪音水平也會增加，因此需要絕緣隔音，這又增加了重量。
另一個挑戰(zhàn)是，汽車技師對所處理的材料是否熟悉。Durst說：“不管是在世界哪個角落，即使是最小型的奧迪修理車間都應(yīng)該能夠修理汽車并替換復合材料零件。”

制造工藝有待改進。德國設(shè)備制造商福伊特(Voith)附屬公司福伊特復合材料(Voith Composites)的經(jīng)理Lars Herbeck預見到了多個領(lǐng)域的強大需求。例如材料的優(yōu)化流水作業(yè)、每年10萬多個零件的定速生產(chǎn)，以及速度更快的生產(chǎn)周期等。與生產(chǎn)速度以秒為單位計算的鋁制零件相比較，較大的復合材料零件制造可能需要20分鐘至1小時。這在航空航天工業(yè)中還可以接受，但在汽車行業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的裝配線中卻行不通，整個汽車行業(yè)全球每年產(chǎn)出超過5,500萬輛汽車。

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德國普芬茨塔爾的弗勞恩霍夫化學技術(shù)研究所復合材料部研究員OliverGeiger正在探索讓大型企業(yè)在不同領(lǐng)域攜手合作的途徑。而奧迪的Durst則談到通過技術(shù)飛躍，而不是依靠緩慢的循序漸進式發(fā)展的必要性。

從2004年起就在SLR邁凱輪賽車上使用碳纖維的戴姆勒公司，也在加大力度開發(fā)這一技術(shù)，并于2010年4月開始與全球領(lǐng)先的碳纖維制造商日本化工公司東麗進行一項合作。目標是在三年內(nèi)，為年產(chǎn)2萬至4萬輛的車型開發(fā)出碳纖維零部件。與此同時，其主要競爭對手寶馬公司(BMW)則要大膽得多。寶馬正與德國合作伙伴西格里碳素公司(SGL Carbon)共同投資1億美元，在美國華盛頓州摩西萊克興建一家復合材料工廠。寶馬公司財務(wù)主管Friedrich Eichinger指出，該工廠將首次以具有競爭力的價格進行大批量生產(chǎn)。目標是將材料價格減至目前碳纖維價格的一半以下，現(xiàn)在賽車上使用的碳纖維成本為每公斤22至55美元。 本文來自123

這種碳纖維將在兩條生產(chǎn)線上生產(chǎn)，年產(chǎn)能大約1,500噸，并將用來生產(chǎn)寶馬新型電動汽車Megacity Vehicle，這是一款有四個座位的掀背車，配有35千瓦時的鋰電池，每次充電可行駛100多公里路。還有一種款式變化的跑車，另配一臺小型柴油發(fā)動機及兩臺電動機，最高時速達200公里以上。Megacity預計將于2013至2014年在萊比錫下線，寶馬在這里已投資了4億多歐元。寶馬指出，Megacity將成為全球首款出自生產(chǎn)線、整個乘客艙均采用輕質(zhì)碳纖維復合材料制造、車架采用鋁材的汽車。從寶馬最初發(fā)布的簡圖來看，它頗像科幻電影里的一樣，蓄電池猶如平坦的墊子，置于整輛雙門車下，還有那超大的車輪，給人一種充滿動感、咄咄逼人的形象。

這款汽車將為這個競爭激烈的行業(yè)的工廠帶來什么影響?目前仍需拭目以待。寶馬其中一個競爭對手的輕量化專家說：“這是孤注一擲。”

身為經(jīng)理的Norbert Reithofer亦充分意識到這些風險。他在2010年10月紐倫堡的一次汽車大會上說：“在采用這種技術(shù)的首輪生產(chǎn)周期中，我們可能賺不到錢，但是它將得到傳統(tǒng)技術(shù)的補助。”

用于航空航天工業(yè)的復合材料已是一個增長市場。
山特維克可樂滿可在這個領(lǐng)域提供多種刀具解決方案，包括PCD(聚晶金剛石)和硬質(zhì)合金鉆頭。不過在汽車行業(yè)，對于復合材料有什么樣的實際需要，尚有多種不確定性。
在一級方程式賽車以及昂貴的豪華車和跑車上，碳纖維技術(shù)無疑已經(jīng)成熟。但這只屬于基本上靠手工制造的少量汽車。

在山特維克可樂滿從事復合材料開發(fā)的francis Richt說：“在大批量生產(chǎn)方面，我們?nèi)蕴幵谘邪l(fā)階段。但我們指望這種新材料不久就能派上用場，以減少電動及混合動力汽車的重量。”Richt補充說，航空航天工業(yè)的設(shè)備比車輛上的更加復雜，質(zhì)量要求也更高，并且必須同步處理復合材料以及鈦金屬等其它材料。

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Richt說：“例如，我們知道汽車結(jié)構(gòu)比飛機結(jié)構(gòu)更加均一，這就減少了要鉆數(shù)千個孔并進行大面積銑削的必要，但是必須能夠隨時進行其它鉆孔或加工內(nèi)腔。即使這樣，我們?nèi)钥梢钥吹剑c非常先進的航空航天業(yè)相比，汽車制造業(yè)有不同的要求。”

來源：中國色母粒網(wǎng)