山高:汽车行业节能减排的新方法

国际金属加工网 2018年01月24日

更轻的汽车

更低的能耗

碳纤维复合材料

将这一切变成了可能

复合材料已经存在很长时间了。在航空业,碳纤维复合材料以及钢、铝等材料多年来一直是飞机机体的组成部分。几十年来,造船业一直致力于打造玻璃纤维船。

定义

由多种材料组成的整体结构,其属性好于和强于各个单独材料的总和。

属性

具有多种形状和尺寸,但最常见的复合材料包括被保护材料包裹的、具有极佳负载承受能力的纤维增强材料。在碳纤维复合材料中,根据材料所需的属性以不同的形式编织碳纤维丝,然后使用可保护纤维并将材料固定到位的塑料进行增强。大多数情况下,使用复合材料会,减轻移动结构的重量,因此降低了能耗。

斯德哥尔摩皇家理工学院航空与汽车工程系轻型结构副教授 Malin Åkermo表示:“大多数情况下,使用复合材料会减轻移动结构的重量,因此降低了能耗。”

斯德哥尔摩皇家理工学院航空与汽车工程系轻型结构副教授 Malin Åkermo

在过去,碳纤维的问题在于原材料成本高昂,这又使得成品复合材料比大多数金属要贵。但是,近年来生产技术不断发展,成本也随着世界各地大批量使用碳纤维产品而降低。

“碳纤维复合材料的大规模生产直到最近才真正出现。”Åkermo 说。“但近来,在德国、英国等国家,碳纤维生产得到了快速发展。瑞典制造商也开始生产碳纤维汽车部件。”她解释道,低需求量是碳纤维制造成本高居不下的一个主要原因。

“到目前为止,燃料消耗的减少还不足以激励生产商为降低汽车重量而负担较高的成本。但是,随着欧盟更严格的燃料排放法规的出台,我们会看到越来越多的汽车使用碳纤维。”

然而,重量更轻只是复合材料的众多优点之一。当构建一种全新的材料时,您有机会赋予材料更多的功能。

Åkermo 说:“目前最激动人心的‘未来应用’是使用多功能材料。我经常举的一个例子是结构电池。碳纤维可以充入锂离子,在使用合适的塑料进行增强后,可以制造出既能承受负载,又能同时用作电池的材料。”

“另一个例子是能量收集。我们可以将致动器嵌入复合材料中,从而将振动和运动转化为能量。在飞行时,飞机机翼会轻微地上下运动。例如,我们可以利用这种能量运行飞机上的空调。通过这种方式,您可以使产品变得更为智能。”

复合材料所需的构建方法与钢和铝所用的方法有很大差别。例如,在复合材料中钻孔便是一件更微妙的事情。“在复合材料中钻孔时,需要同时穿过塑料和纤维,”Åkermo 解释说。“这些材料具有不同的刚度,因此很容易损坏较软的塑料。如果施加太大的压力,层与层之间会出现裂纹。”

 塑料的柔软度也意味着螺母和螺栓的使用方式与它们在钢或铝中的使用方式有所不同。

“连接两块金属时,通常使用扭矩扳手在孔的顶部施加一定压力。但是复合材料上的蠕变[轻微移动]意味着您无法确定对复合材料施加这种压力是否适合,因此您必须使用带有螺母和垫圈的螺纹接头,这些部件会支撑结构,而且不会在材料上产生摩擦。”

汽车行业是选择将材料粘合在一起而不是在材料上钻孔的行业之一。另一个解决方案是制造更大、更好的集成部件,而无需将各个部件接合在一起。实际上,沃尔沃的研究人员正在研究如何实现部件复杂性与尺寸之间的完美平衡,以使其具有成本效益。

对汽车制造商而言,制造碳纤维汽车的可行方法是在高档汽车中引入碳纤维零件,以学习和完善生产工艺流程。

“宝马建造了相对非常昂贵的 i3,它主要由碳纤维复合材料制成。现在他们正在将碳纤维融入其他一些汽车的框架中,”Åkermo 说道。

在快速变化的交通世界中,毫无疑问,作为节能减排努力的一部分,使车辆更加智能和更可持续是势在必行的。如果越来越多地使用复合材料可以作为一种判断依据的话,那么我们正在迎接一个充满智慧的未来。

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