碳纖維復合材料在汽車中的應用

碳纖維復合材料能在汽車中使用嗎?碳纖維復合材料(CFRP)因其重量輕，而且具有高強度、高剛性和良好的耐蠕變性和耐腐蝕性等特點，一直被認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纖維復合材料在汽車領域的廣泛應用。不過，隨著成本效益比逐漸發生改變，這種材料在汽車生產上的大量應用也許會成為現實。



全球材料專家Caparo公司汽車產品工程總監Ben Scott-Geddes目前率領的一個研發小組正在針對一些新的復合材料和制造工藝展開研發工作，希望可以應用于汽車領域。他認為該項目的研究結果可以降低產品周期——這是造成碳纖維復合材料高成本的主要因素之一。


(前排左到右) David Skertchly, Gordon Murray, Angad Paul; 本文來自123
(后排左到右) Ben Scott-Geddes, Stephen Irish, Graham Halstead and Sean Butcher.

Scott-Geddes在汽車碳復合材料應用方面有著豐富的經驗，比如梅賽德斯-奔馳的高性能雙座轎車McLaren SLR的研發(他曾經是復合材料和車身結構部門的負責人，后來負責McLaren轎車高級概念小組)。這款車在當時可算是異類，因為它的車身史無前例地大量使用了碳纖維復合材料。“成本問題在當時不在我們考慮的范圍之內，我們只想獲得最好的性能，最后我們充分了解了碳纖維復合材料的各種優良性能，并在這輛車上得以充分地發揮，”他解釋道。“現在，我們要做的就是需要在合理的價格內將這些性能在量產車上也體現出來。”

除了輕量化，碳纖維復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，通過調整，采用碳纖維復合材料的汽車部件還可以在不同的位置呈現不同的強度和剛性，可以根據不同的目的進行設計和優化。

Scott-Geddes表示，碳纖維復合材料可以適應各種氣候，疲勞壽命性能強于鋁和鋼。他還說，“相對其他性能，減重是讓汽車制造商最感興趣的，因為它可以改進車輛的燃油效率和排放性能。在設計人員利用這種材料的各種性能進行產品設計時，他們不只簡單地認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認為碳纖維復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最初是為了產量較低的航空業設計的。“我們對這種材料的所有認識包括生產方式都來自于航空業，而其成本、產量和技術指標都與汽車業完全不同，”他表示。

因此Scott-Geddes率領的小組摒棄了以前的這些想法和做法，重新審視碳纖維復合材料可以應用到汽車生產的哪些方面，然后從頭開發新的復合物和生產方式，使其可以以合理的價格應用到批量生產中。該小組由一批專家組成，其中包括材料和加工專家、車輛結構分析師以及汽車碰撞工程師等。

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研究小組目前已經開始著手處理三個最基本的問題。首先，開發一系列專門的汽車用材料。針對碳纖維復合材料展開研究，了解纖維的生產方式以及該生產方式對材料結晶效果的影響，同時可以對材料性能進行優化，從而獲得不同強度和剛性的復合物。最后確定某個復合物(比如經過局部增強的碳纖維)進行下一步的應用試制。

此外他們還要對基體材料進行驗證，主要基于一些與傳統高產量聚合物成型領域有關的成熟合成物技術，比如片狀模塑料(SMC)、熱塑性塑料和聚碳酸酯材料等。Caparo公司新開發的“可變基體”采用改進后的模內澆注技術，讓幾種不同的材料融合到一個零件上，再次優化了局部性能。