汽车用了碳纤维材料有何好处?
一、轻量化
碳纤维应用于汽车后,给汽车制造带来最明显的好处就是汽车轻量化,最直接影响的就是节能、加速、制动性能的提升。一般而言,车重减小10%,油耗降低6%~8%,排放降低5~6%, 0-100km/h加速性提升8-10%,制动距离缩短2~7m。
二、安全性
车身轻量化可以使整车的重心下移,提升了汽车操纵稳定性,车辆的运行将更加安全、稳定。碳纤维复合材料具有极佳的能量吸收率,碰撞吸能能力是钢的六到七倍、铝的三到四倍,这进一步保证了汽车的安全性。
三、 舒适度
碳纤维复合材料具有更高的震动阻尼,轻合金需要9秒才能停止震动,碳纤维复合材料2秒就能停止,故碳纤维应用在汽车上,对于整车NVH(噪声、振动与声振粗糙度)的提升贡献同样很大,会大幅增强汽车行驶的舒适性。
四、可靠性
碳纤维复合材料具有更高的疲劳强度,钢和铝的疲劳强度是抗拉强度的30-50%,而碳纤维复合材料可达70-80%,因此汽车上应用碳纤维复合材料对于材料疲劳可靠性有较大提升。
五、提升车身开发水平
由于碳纤维复合材料可设计性比金属强,因此更易于车身开发的平台化、模块化、集成化。这样碳纤维车身及金属平台的混合车身结构对于传统汽车车身结构而言,可以做到模块化、集成化,大大减少零件种类,减少工装投入,缩短开发周期。
汽车轻量化是发展趋势,你认为碳纤维会大量应用于汽车设计吗?
碳纤维增强复合材料(CFRP)不会大量应用于汽车中。
关于CFRP的神奇已不用多说,这种轻量化材料被大量应用在F1赛车中。在民用车领域,以宝马(宝马i系列)为首的企业/品牌,也在努力探索此类材料的使用。IIHS测试中也证明了CFRP使用在民用车上也能较好地保护驾驶者。
不过CFRP虽然好,这种材料的韧性却并不能让人满意,它比较脆,因此在制造一些复杂部件时,优势就就没有了。
而且CFRP的回收处理也是一大难题,由于CFRP不可降解,因此将其磨成粉末、垃圾场填埋或焚烧都行不通,早在2010年,日本三菱人造丝公司就估计世界上废弃的CFRP就大约高达2万吨。
以上我们是从工艺和后期处理的角度来谈,除此外,CFRP的原材料成本、制作成本、设备利用率/通用率等问题都严重制约着它的发展。
从发展趋势看,一般汽车上很难大量使用CFRP材料。 但大家也别闻此色变,不排除CFRP被用作结构加强件的可能。
比如宝马7系上使用的“高强度碳纤维车身架构(首次实现量产的碳纤维、钢、铝智能轻量化车身结构)”,CFRP就被用于加固车顶横梁结构以及B柱和C柱、底部侧围、中央通道和后部支撑,相比上一代车型,全新BMW 7系最大减重达130kg。
除此外,像沃尔沃旗下的Polestar(北极星)品牌,也采用了类似于蜻蜓结构的CFRP加强件。
不过就我看,未来更有可能是可降解增强材料的天下。
我们拿京都大学与多家零部件供应商正着手研发一款轻量化原型车为例,这款车采用了从木材中提取的CNF(纤维素纳米纤维)作为主体材料,它的比重仅为钢材的20%,抗拉强度却是钢材的5倍。
不可能,至少现在是不可能的。原因分析如下。一,碳纤维的价格。碳纤维在价格没有大幅下滑的情况下,生产企业是不大可能大规模的使用,开始用于车身制造。成本的上升会影响到终端的售价,而却使消费者望而却步。
二,碳纤维本身的自有特性。碳纤维轻,抗压抗弯能力比较好,但是其抗冲击能力比较差。一旦发生侧面撞击情况之下,碳纤维就会大面积的损坏与破裂。而碳纤维一旦发生损坏,它修复很困难。特别是面板类的。只能大面积的更换。价格与维护性,碳纤维应用的死穴。
三任何一个材料都有其使用极限与使用寿命。碳纤维也不例外。好的碳纤维材料可以与车身的金属部件可以说是达到等使用时限。标准低的材料的话,它的使用年限将会大大限度缩短。其使用环境也相对而言比较要求高。汽车作为一个广泛的交通工具。在日常行为之中,你很难预测其使用环境与消费者如何去使用的行为。采用高标准高牌号的零部件材料,会增加制造成本。最终要反馈到车辆销售的价格上。降低零件材料标准的话,而又容易引发各种质量问题,造成品牌效应的下滑。与其用这种新材料带来的风险与不可预测性,不如用保守性方案,现有成熟可靠的材料与行业标准。
四碳钎维材料研究并不一定是目前最好的材料之一。像新兴的石墨烯什么之类的,此类材料很有可能替代碳纤维。并不一定要押宝于碳纤维。如何出现比碳纤维更好的材料,并且其价格与维护性优于碳纤维,使用碳纤维一个很失败的决策。
五碳纤维目前大多也使用于非核心零部件。各种差异化使其造成无法大规模的工业化。无法廉价的大规模生产。如果从单一指标或者性能上而言,碳纤维是有着无可比拟的优势。但进入大规模生产,他的这种优势会被价格与成本给抵消。消费者并不一定会为其买单。车辆油耗是一方面,售价与可维护性是另外的几个重点。
碳纤维等材料用于汽车制造是必然趋势。现在没有得到广泛使用的原因,我认为有四个方面:
第一,是行业的惯性。
这个只是因为现在的汽车行业中,金属材料的使用工艺技术更成熟而已。随着新材料的不断应用,相关工艺成熟普及后就会解决。
第二,是碳纤维材料本身还有一些性能缺陷。
1.碳纤维板的耐候性还不如金属,树脂基体材料长期使用中的氧化、老化、脆化、变形等问题还需要解决。否则这些材料在汽车使用中不可避免的雨雪、冰冻、高温、暴晒、油污等复杂环境中失效就会造成事故的。
2.碳纤维和树脂基材的安全性有待考验。例如可燃性等。
3.目前的碳纤维材料大多都是缠绕或层压制造,在弯曲或受到冲击时,很容易出现分层剥离,从而导致性能下降。
4.碳纤维材料受损后修复困难。通常只能整块更换,不像金属板材可以通过钣金快速修复。
第三,是汽车其他系统还需要为轻量化作出适应性改进。
整车重量降低对于油耗和环保来说自然是好事,但车辆的减震、安全、抗横风、抗冲击等性能都会收到影响,需要汽车的其他系统作出相应的适应性调整。
没有批量用于家用车,当然是因为成本问题。虽然说碳纤维表面上看是好像一块黑色的硬质塑料,但是价格比碳可是贵多了,普通家用车即便想用,也只能在某些零件、内饰上象征性地用一点。如果说把车架和车壳都用上碳纤维的,那一般都是豪车、超跑了。
以法拉利、兰博基尼等一众超级跑车,为了追求轻量化,在车身上不计成本地大规模应用碳纤维组件,更让碳纤维材料成了奢华的代表。那么碳纤维到底有什么神奇之处呢?下面,典典就来简要分析一下。
碳纤维是一种高端材料,因为特殊的价值,国内外生产是受到控制的。它的优点很多,比如耐超高温、耐疲劳、耐腐蚀等等。但最为汽车行业看重的,还是它“外柔内刚”的特性。
我们知道,汽车的自重越轻,才能跑得越快。而碳纤维是很轻的,重量只有同体积钢材的四分之一。以兰博基尼大牛为例,该车就是大量采用了碳纤维强化材料,车舱完全以碳纤维制造,承载结构采用单壳体设计,整车重量不到2吨。
除了重量轻之外,碳纤维的另一个优点是强度很高,达到了普通钢材的9倍。
又轻又强的碳纤维因为受限于民用车的成本,只能用到关键部件上,比如汽车传动轴、刹车片。大牛上用的碳纤维增强陶瓷刹车片,就是碳纤维与陶瓷制成的,这种碳纤维制动盘能够承受2500℃的高温,而且具有很优秀的制动稳定性,是理想的刹车片材料。
短期内很难,大家都说了这么多了。其实最主要的原因是材料回收。 现在大部分都是热固树脂,没法回收利用。 热塑预浸料现阶段不是特别成熟,价格也高,性能上主要指标不如热固。 但热塑的优点也特别明显。 个人认为碳纤维要想在民用领域大展拳脚,达到要求的热塑预浸料稳定量产是前提。
汽车用了碳纤维材料有何好处?
一、轻量化
碳纤维应用于汽车后,给汽车制造带来最明显的好处就是汽车轻量化,最直接影响的就是节能、加速、制动性能的提升。一般而言,车重减小10%,油耗降低6%~8%,排放降低5~6%, 0-100km/h加速性提升8-10%,制动距离缩短2~7m。
二、安全性
车身轻量化可以使整车的重心下移,提升了汽车操纵稳定性,车辆的运行将更加安全、稳定。碳纤维复合材料具有极佳的能量吸收率,碰撞吸能能力是钢的六到七倍、铝的三到四倍,这进一步保证了汽车的安全性。
三、 舒适度
碳纤维复合材料具有更高的震动阻尼,轻合金需要9秒才能停止震动,碳纤维复合材料2秒就能停止,故碳纤维应用在汽车上,对于整车NVH(噪声、振动与声振粗糙度)的提升贡献同样很大,会大幅增强汽车行驶的舒适性。
四、可靠性
碳纤维复合材料具有更高的疲劳强度,钢和铝的疲劳强度是抗拉强度的30-50%,而碳纤维复合材料可达70-80%,因此汽车上应用碳纤维复合材料对于材料疲劳可靠性有较大提升。
五、提升车身开发水平
由于碳纤维复合材料可设计性比金属强,因此更易于车身开发的平台化、模块化、集成化。这样碳纤维车身及金属平台的混合车身结构对于传统汽车车身结构而言,可以做到模块化、集成化,大大减少零件种类,减少工装投入,缩短开发周期。
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