碳纤维复合材料在汽车中的应用

碳纤维复合材料能在汽车中使用吗?碳纤维复合材料(CFRP)因其重量轻，而且具有高强度、高刚性和良好的耐蠕变性和耐腐蚀性等特点，一直被认为是一种非常理想的汽车轻量化材料。但是长期以来，昂贵的价格一直阻碍着碳纤维复合材料在汽车领域的广泛应用。不过，随着成本效益比逐渐发生改变，这种材料在汽车生产上的大量应用也许会成为现实。



全球材料专家Caparo公司汽车产品工程总监Ben Scott-Geddes目前率领的一个研发小组正在针对一些新的复合材料和制造工艺展开研发工作，希望可以应用于汽车领域。他认为该项目的研究结果可以降低产品周期——这是造成碳纤维复合材料高成本的主要因素之一。


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

Scott-Geddes在汽车碳复合材料应用方面有着丰富的经验，比如梅赛德斯-奔驰的高性能双座轿车McLaren SLR的研发(他曾经是复合材料和车身结构部门的负责人，后来负责McLaren轿车高级概念小组)。这款车在当时可算是异类，因为它的车身史无前例地大量使用了碳纤维复合材料。“成本问题在当时不在我们考虑的范围之内，我们只想获得最好的性能，最后我们充分了解了碳纤维复合材料的各种优良性能，并在这辆车上得以充分地发挥，”他解释道。“现在，我们要做的就是需要在合理的价格内将这些性能在量产车上也体现出来。”

除了轻量化，碳纤维复合材料在碰撞吸能方面也具有显著的性能：一般是钢的六到七倍，是铝的三到四倍。此外，通过调整，采用碳纤维复合材料的汽车部件还可以在不同的位置呈现不同的强度和刚性，可以根据不同的目的进行设计和优化。

Scott-Geddes表示，碳纤维复合材料可以适应各种气候，疲劳寿命性能强于铝和钢。他还说，“相对其他性能，减重是让汽车制造商最感兴趣的，因为它可以改进车辆的燃油效率和排放性能。在设计人员利用这种材料的各种性能进行产品设计时，他们不只简单地认为它是一种替代材料，而是这种材料还可以带来更多的好处。”

Scott-Geddes认为碳纤维复合材料价格昂贵并不是材料本身的原因，而是因为目前所采用的制造技术最初是为了产量较低的航空业设计的。“我们对这种材料的所有认识包括生产方式都来自于航空业，而其成本、产量和技术指标都与汽车业完全不同，”他表示。

因此Scott-Geddes率领的小组摒弃了以前的这些想法和做法，重新审视碳纤维复合材料可以应用到汽车生产的哪些方面，然后从头开发新的复合物和生产方式，使其可以以合理的价格应用到批量生产中。该小组由一批专家组成，其中包括材料和加工专家、车辆结构分析师以及汽车碰撞工程师等。

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研究小组目前已经开始着手处理三个最基本的问题。首先，开发一系列专门的汽车用材料。针对碳纤维复合材料展开研究，了解纤维的生产方式以及该生产方式对材料结晶效果的影响，同时可以对材料性能进行优化，从而获得不同强度和刚性的复合物。最后确定某个复合物(比如经过局部增强的碳纤维)进行下一步的应用试制。

此外他们还要对基体材料进行验证，主要基于一些与传统高产量聚合物成型领域有关的成熟合成物技术，比如片状模塑料(SMC)、热塑性塑料和聚碳酸酯材料等。Caparo公司新开发的“可变基体”采用改进后的模内浇注技术，让几种不同的材料融合到一个零件上，再次优化了局部性能。