高强度碳纤维的作用,碳纤维的发展前景会怎么样?

【高强度碳纤维的作用】碳纤维的发展前景

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从1981年迈凯轮MP4/1一级方程式赛车成为第一辆使用碳纤维制造复合材料汽车底盘以来,汽车行业已经对高强度碳纤维的作用着迷了几十年。从那时起,这种材料标志性的编织,以及其具有传奇色彩的强度、刚度和低重量的混合,已经出现在所有形式的赛车中——以及几乎所有的超级跑车,以及少数主流公路汽车中。时至今日,碳纤维在引擎盖车顶悬挂组件、支柱杆、全车底盘车身面板上广泛应用。然而,碳纤维最大的问题在于它需要仔细的分层和高精度的制造过程。此外,碳纤维的发展前景在一些高科技附加值的行业中,比如飞机,以及巨大风力涡轮机,碳纤维的工业性能才得以发挥。

高强度碳纤维的作用,碳纤维的发展前景

人类对碳纤维的研究已经持续了40多年,工程师们仍在为使碳纤维变得更便宜、更容易制造而不断进步。宝马一直走在碳纤维复合材料创新的前沿,包括与飞机制造商波音(Boeing)的合作,这使得宝马的小型电动i3在大批量生产的汽车中碳纤维使用最为广泛;兰博基尼因其“锻造复合材料”工艺而成为新闻,这种工艺可以将制造碳纤维车身的过程缩短到几分钟而不是几小时。事实上,根据行业研究,汽车应用的成本已经从几十年前钢铁成本的35倍下降到近年来的仅10倍。但是碳纤维的价格却一直居高不下。

高强度碳纤维的作用

高强度碳纤维的作用具有极为特殊的材料性能,在某些使用场景这种材料有非常大的发挥空间, “碳纤维复合材料的特殊刚度和强度使汽车工程师能够设计出性能相当的组件,同时提供比其他复合材料解决方案或轻金属更大的质量降低,”福特公司碳纤维技术负责人表示,最近在福特GT超级跑车上表现得尤为明显。“此外,使用碳作为增强纤维,使设计师能够在有限的设计空间内满足刚度和强度目标,达到这个目标对基于玻璃的复合材料是难以想象的。”汽车制造商甚至发现,在某些应用中,碳纤维车身的强度就已经值回成本。例如,讴歌就选择了它作为自己的NSX超级跑车的碳纤维底盘,尽管它的成本很高,事故后维修过程也很困难。“它在不需要额外加强物的情况下达到了加载要求,”本田母公司的Shawn Tarr说,他是NSX车身的设计领导者。“不需要额外的挤压加强筋,并且能够使用回收的、成本更低的材料,碳纤维成为NSX地板最轻的重量、最低成本的整体解决方案。”

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当然,像NSX和GT这样的汽车是非常昂贵的应用。根据Steinbach的观点,重量管控在航空领域比传统上在汽车应用领域更为重要,节省了为道路性能而设计的车辆。但最近,碳纤维在汽车应用中的应用逻辑发生了转变。新的燃油经济性要求推动了对有助于提高效率的低重量材料的需求,而电动汽车则进一步加剧了这种紧迫性。汽车制造商现在必须竭尽全力提高整个车队的油耗。问题是,汽车碳纤维真的能成为撬动汽车创新的关键吗?汽车制造商们越来越多地提倡“在正确的地方使用正确的材料”的方法,这种方法既适用于讴歌NSX,也适用于本田civic——这一方法是由于替代复合材料的不断改进而成为可能的。

 “轻量化热塑性塑料板型复合材料可以达到碳纤维的轻重量,具有优越的表面质量和更好的可制造性。”“我们将这种材料用于NSX车身面板。”决定材料往往会考虑各种各样的因素,他补充说,使用的系统加入不同的材料一起讨论它需要粘合剂或焊接到各个组件的好处使用多个材料在不同的地方,为了安全或性能和效率优势。本田在其高档和经济型汽车设计中运用了这种思维。

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在福特公司,工程师们同样发现,对碳纤维材料的用途和成分进行微调可以推广碳纤维材料的应用。布兰查德说:“碳纤衍生物和伴随过程的废料最小化是使用碳纤维最大的阻碍。”他指出,这适用于与新型塑料和聚合物结合使用的碳纤复合材料。“玻璃和碳的混合混合也可以提供一个更经济的解决方案,尽管在材料性能上有所取舍。”其他增强纤维,如玄武岩,正在成为一种备选方案,提供了比玻璃纤维更多的性能,而且价格上更便宜。”但是随着碳纤维创新本身的不断发展,它很有可能保持竞争力——尽管和以前一样,很大程度上是在昂贵的水平上。就像是高性能的超级跑车——保时捷的高性能RS生产线。

“2016 RS模型911年g3,车上装了一个镁制车顶,这是一个全新的尝试,不论是在外形还是在强度上,都可以媲美碳纤维。“保时捷发言人弗兰克Wiesmann说。然而,同时,材料和处理也在进步。我们仍然将铝合金材料车顶作为2018年911 GT2 RS和2019年GT3 RS的标准配置,但这两款车都有一个减重套餐,其中碳纤维材料的车顶比铝合金车顶更轻,这要归功于一种新的专利夹层结构。该套件还包括碳纤维防摇杆和悬架末端连接,并可以搭配选配的镁车轮。”

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但碳纤维的未来最终将取决于这种创新能否应用到“普通”汽车上。制造时间和成本还没有大幅降低——行业分析师说每磅需要达到5美元,是现在的一半——而实现这一目标的机会之窗可能正在关闭。一个重要原因是:自主权。设计师亨里克•菲斯克(Henrik Fisker)是菲斯克系列混合动力汽车Karma的创始人,现在他推出了一款高级全电动运动轿车,以重新推出自己的品牌。菲斯克说,虽然电动车将受益于更便宜的碳纤维,但autonomy的最终问世可能会抵消这种需求。随着汽车越来越专业化,对汽车耐撞性等品质的要求将会降低。

高强度碳纤维的作用,碳纤维的发展前景会怎么样?菲斯克说:“随着自动驾驶汽车和穿梭车主要用于城市环境,它们不需要像高速公路上的汽车那样的结构强度。”“如果它只适用于城市交通和汽车共享,那就需要一种完全不同的结构。”最终的结果是:一辆汽车可以使用生产效率最高、最经济的任何材料,对强度的依赖更少。兰博基尼和麦克拉伦仍将使用它来提高操控性和履带轻便性,但自动驾驶的人将不会被这种花哨的结构所打动。

文章来源:碳月工厂专业汽车碳纤维改装