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[轻量化材料] 碳纤维复合材料将在汽车减重中起到关键作用

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  • TA的每日心情

    2015-2-5 18:18
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    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2013-11-7 21:40:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
    碳纤维复合材料将在汽车减重的努力中起到关键的作用,尽管会面临批量生产的巨大挑战。
            随着环保规定趋于严格,以及汽车使用数量随城市发展与日俱增,汽车工业不得不以新的方式思考问题。无论是混合动力还是纯电动汽车,新的轻质车身造型和蓄电池使用寿命已成为大众关注的焦点。
            最迟到2014年,几乎所有汽车制造商都要提供混合动力车,而这只是个开始。德国杜伊斯堡-艾森大学汽车研究中心教授兼主任Ferdinand Dudenh?ffer谈到了汽车制造技术方面的变革。他说:“到2025年,全球纯燃油新车的份额将跌至35%。”根据另一项预测,在今后10年里,每年将售出大约2,400万辆混合动力及电动汽车。Dudenhffer表示,这只是个保守数字。但是所有汽车制造商都要竭尽全力解决同样的问题——重量。安装蓄电池后,纯电动汽车的重量会增加大约250公斤;充电式混合动力汽车则会增加约200公斤。
            沃尔沃汽车公司正尝试找到一个可行的解决方案。其瑞典哥德堡的工程师与英国伦敦帝国理工学院航空系的研究人员合作,研制出一种复合材料,这种材料由碳纤维和聚合物制成,可用作充电及能源储存。这一努力的构想是,未来沃尔沃汽车的车身将起到电化学蓄电池的作用。但是目前离实现这种解决方案还有多远呢?
            沃尔沃汽车材料中心开发工程师Per-Ivar Sellergren对此表示乐观。他说:“如果一切按计划进行,到2012年年底,我们就会有这种电化学蓄电池功能复合材料的汽车行李箱样机。”而成本则是个问题,但Sellergren说,即使它仍比钢和铝贵很多,电动及混合动力汽车的未来还是取决于复合材料。
            据沃尔沃计算,用新电池材料制造的发动机罩,其成本可能相当于原来的发动机罩加上一个锂离子蓄电池。他说:“作为制造商,我们可以增加一点碳纤维发动机罩的成本,因为我们实际上是白白得到了蓄电池。”
            沃尔沃汽车公司复合材料专家Ulf Carlund指出,目前复合材料的加工方式过于缓慢,并且早期对传统汽车制造厂的投资还需加以利用。这在一定程度上导致使用钢材的传统汽车制造商对复合材料无所适从。沃尔沃的专家们指出,尽管如此,但是现在变革的意愿非常强烈,公众将会看到越来越多聚合物复合材料应用到新型汽车的里里外外。
            奥迪铝制汽车A2已使该公司成为制造轻型汽车的先锋。在公司位于德国南部内卡苏尔姆的“轻量化”中心,奥迪的工程师们不仅利用由母公司大众汽车豪华车型布加迪开发的复合材料的技术及经验,而且还进一步发展其附属公司兰博基尼已采用的碳纤维技术。
            在身价超过12万欧元、每天只生产15至20辆的奥迪R8 Spyder跑车中,奥迪在车顶行李箱的两边及顶部均采用了碳纤维增强聚合物。这样做可使其在低成本的批量生产中更具成本效益,但要实现一个前提:可以用单个碳纤维零件代替多个铝制零件。奥迪在Leichtbauzentrum的开发工程师Karl Durst说:“也许你只需要一种刀具,而不是五六种不同的刀具。”
            这里有多个项目在进行,在复合材料中加入纤维,就能提升与铝相比的重量优势,这种重量优势从 17~18%到25%不等。项目的关键是,这种材料需要达到与铝材相同的抗拉与抗压负荷能力。Durst说,即使这样,仍有若干大小问题需要解决,特别是复合材料与其它材料接合处的腐蚀问题。另外还有噪音,随着汽车不断减重,噪音水平也会增加,因此需要绝缘隔音,这又增加了重量。
            另一个挑战是,汽车技师对所处理的材料是否熟悉。Durst说:“不管是在世界哪个角落,即使是最小型的奥迪修理车间都应该能够修理汽车并替换复合材料零件。”
            制造工艺有待改进。德国设备制造商福伊特(Voith)附属公司福伊特复合材料(Voith Composites)的经理Lars Herbeck预见到了多个领域的强大需求。例如材料的优化流水作业、每年10万多个零件的定速生产,以及速度更快的生产周期等。与生产速度以秒为单位计算的铝制零件相比较,较大的复合材料零件制造可能需要20分钟至1小时。这在航空航天工业中还可以接受,但在汽车行业大规模生产的装配线中却行不通,整个汽车行业全球每年产出超过5,500万辆汽车。
            德国普芬茨塔尔的弗劳恩霍夫化学技术研究所复合材料部研究员Oliver Geiger正在探索让大型企业在不同领域携手合作的途径。而奥迪的Durst则谈到通过技术飞跃,而不是依靠缓慢的循序渐进式发展的必要性。
            从2004年起就在SLR迈凯轮赛车上使用碳纤维的戴姆勒公司,也在加大力度开发这一技术,并于2010年4月开始与全球领先的碳纤维制造商日本化工公司东丽进行一项合作。目标是在三年内,为年产2万至4万辆的车型开发出碳纤维零部件。与此同时,其主要竞争对手宝马公司(BMW)则要大胆得多。宝马正与德国合作伙伴西格里碳素公司(SGL Carbon)共同投资1亿美元,在美国华盛顿州摩西莱克兴建一家复合材料工厂。宝马公司财务主管Friedrich Eichinger指出,该工厂将首次以具有竞争力的价格进行大批量生产。目标是将材料价格减至目前碳纤维价格的一半以下,现在赛车上使用的碳纤维成本为每公斤22至55美元。
            这种碳纤维将在两条生产线上生产,年产能大约1,500吨,并将用来生产宝马新型电动汽车Megacity Vehicle,这是一款有四个座位的掀背车,配有35千瓦时的锂电池,每次充电可行驶100多公里路。还有一种款式变化的跑车,另配一台小型柴油发动机及两台电动机,最高时速达200公里以上。Megacity预计将于2013至2014年在莱比锡下线,宝马在这里已投资了4亿多欧元。宝马指出,Megacity将成为全球首款出自生产线、整个乘客舱均采用轻质碳纤维复合材料制造、车架采用铝材的汽车。从宝马最初发布的简图来看,它颇像科幻电影里的一样,蓄电池犹如平坦的垫子,置于整辆双门车下,还有那超大的车轮,给人一种充满动感、咄咄逼人的形象。
            这款汽车将为这个竞争激烈的行业的工厂带来什么影响?目前仍需拭目以待。宝马其中一个竞争对手的轻量化专家说:“这是孤注一掷。”
            身为经理的Norbert Reithofer亦充分意识到这些风险。他在2010年10月纽伦堡的一次汽车大会上说:“在采用这种技术的首轮生产周期中,我们可能赚不到钱,但是它将得到传统技术的补助。”
            技术观点:多种不确定性
            用于航空航天工业的复合材料已是一个增长市场。山特维克可乐满可在这个领域提供多种刀具解决方案,包括PCD(聚晶金刚石)和硬质合金钻头。不过在汽车行业,对于复合材料有什么样的实际需要,尚有多种不确定性。
            在一级方程式赛车以及昂贵的豪华车和跑车上,碳纤维技术无疑已经成熟。但这只属于基本上靠手工制造的少量汽车。
            在山特维克可乐满从事复合材料开发的francis Richt说:“在大批量生产方面,我们仍处在研发阶段。但我们指望这种新材料不久就能派上用场,以减少电动及混合动力汽车的重量。” Richt补充说,航空航天工业的设备比车辆上的更加复杂,质量要求也更高,并且必须同步处理复合材料以及钛金属等其它材料。
            Richt说:“例如,我们知道汽车结构比飞机结构更加均一,这就减少了要钻数千个孔并进行大面积铣削的必要,但是必须能够随时进行其它钻孔或加工内腔。即使这样,我们仍可以看到,与非常先进的航空航天业相比,汽车制造业有不同的要求。”
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