碳纖維復合材料將成為汽車輕質車身造型材料
發布日期：2012年09月27日
碳纖維復合材料將在汽車減重的努力中起到關鍵的作用，盡管會面臨批量生產的巨大挑戰。
隨著環保規定趨于嚴格，以及汽車使用數量隨城市發展與日俱增，汽車工業不得不以新的方式思考問題。無論是混合動力還是純電動汽車，新的輕質車身造型和蓄電池使用壽命已成為大眾關注的焦點。
在2014年，幾乎所有汽車制造商都要提供混合動力車，而這只是個開始。德國杜伊斯堡-艾森大學汽車研究中心教授兼主任Ferdinand Dudenh?ffer談到了汽車制造技術方面的變革。他說：“到2025年，全球純燃油新車的份額將跌至35%。”根據另一項預測，在今后10年里，每年將售出大約2,400萬輛混合動力及電動汽車。Dudenh?ffer表示，這只是個保守數字。但是所有汽車制造商都要竭盡全力解決同樣的問題——重量。安裝蓄電池后，純電動汽車的重量會增加大約250公斤;充電式混合動力汽車則會增加約200公斤。
沃爾沃汽車公司正嘗試找到一個可行的解決方案。其瑞典哥德堡的工程師與英國倫敦帝國理工學院航空系的研究人員合作，研制出一種復合材料，這種材料由碳纖維和聚合物制成，可用作充電及能源儲存。這一努力的構想是，未來沃爾沃汽車的車身將起到電化學蓄電池的作用。但是目前離實現這種解決方案還有多遠呢?
沃爾沃汽車材料中心開發工程師Per-Ivar Sellergren對此表示樂觀。他說：“如果一切按計劃進行，到2012年年底，我們就會有這種電化學蓄電池功能復合材料的汽車行李箱樣機。”而成本則是個問題，但Sellergren說，即使它仍比鋼和鋁貴很多，電動及混合動力汽車的未來還是取決于復合材料。
據沃爾沃計算，用新電池材料制造的發動機罩，其成本可能相當于原來的發動機罩加上一個鋰離子蓄電池。他說：“作為制造商，我們可以增加一點碳纖維發動機罩的成本，因為我們實際上是白白得到了蓄電池。”
沃爾沃汽車公司復合材料專家Ulf Carlund指出，目前復合材料的加工方式過于緩慢，并且早期對傳統汽車制造廠的投資還需加以利用。這在一定程度上導致使用鋼材的傳統汽車制造商對復合材料無所適從。沃爾沃的專家們指出，盡管如此，但是現在變革的意愿非常強烈，公眾將會看到越來越多聚合物復合材料應用到新型汽車的里里外外。
奧迪鋁制汽車A2已使該公司成為制造輕型汽車的先鋒。在公司位于德國南部內卡蘇爾姆的“輕量化”中心，奧迪的工程師們不僅利用由母公司大眾汽車豪華車型布加迪開發的復合材料的技術及經驗，而且還進一步發展其附屬公司蘭博基尼已采用的碳纖維技術。
在身價超過12萬歐元、每天只生產15至20輛的奧迪R8 Spyder跑車中，奧迪在車頂行李箱的兩邊及頂部均采用了碳纖維增強聚合物。這樣做可使其在低成本的批量生產中更具成本效益，但要實現一個前提：可以用單個碳纖維零件代替多個鋁制零件。奧迪在Leichtbauzentrum的開發工程師Karl Durst說：“也許你只需要一種刀具，而不是五六種不同的刀具。”
這里有多個項目在進行，在復合材料中加入纖維，就能提升與鋁相比的重量優勢，這種重量優勢從17～18%到25%不等。項目的關鍵是，這種材料需要達到與鋁材相同的抗拉與抗壓負荷能力。Durst說，即使這樣，仍有若干大小問題需要解決，特別是復合材料與其它材料接合處的腐蝕問題。另外還有噪音，隨著汽車不斷減重，噪音水平也會增加，因此需要絕緣隔音，這又增加了重量。
另一個挑戰是，汽車技師對所處理的材料是否熟悉。Durst說：“不管是在世界哪個角落，即使是小型的奧迪修理車間都應該能夠修理汽車并替換復合材料零件。”
制造工藝有待改進。德國設備制造商福伊特(Voith)附屬公司福伊特復合材料(Voith Composites)的經理Lars Herbeck預見到了多個領域的強大需求。例如材料的優化流水作業、每年10萬多個零件的定速生產，以及速度更快的生產周期等。與生產速度以秒為單位計算的鋁制零件相比較，較大的復合材料零件制造可能需要20分鐘至1小時。這在航空航天工業中還可以接受，但在汽車行業大規模生產的裝配線中卻行不通，整個汽車行業全球每年產出超過5,500萬輛汽車。
德國普芬茨塔爾的弗勞恩霍夫化學技術研究所復合材料部研究員Oliver Geiger正在探索讓大型企業在不同領域攜手合作的途徑。而奧迪的Durst則談到通過技術飛躍，而不是依靠緩慢的循序漸進式發展的必要性。
從2004年起就在SLR邁凱輪賽車上使用碳纖維的戴姆勒公司，也在加大力度開發這一技術，并于2010年4月開始與全球領先的碳纖維制造商日本化工公司東麗進行一項合作。目標是在三年內，為年產2萬至4萬輛的車型開發出碳纖維零部件。與此同時，其主要競爭對手寶馬公司(BMW)則要大膽得多。寶馬正與德國合作伙伴西格里碳素公司(SGL Carbon)共同投資1億美元，在美國華盛頓州摩西萊克興建一家復合材料工廠。寶馬公司財務主管Friedrich Eichinger指出，該工廠將首次以具有競爭力的價格進行大批量生產。目標是將材料價格減至目前碳纖維價格的一半以下，現在賽車上使用的碳纖維成本為每公斤22至55美元。
這種碳纖維將在兩條生產線上生產，年產能大約1,500噸，并將用來生產寶馬新型電動汽車Megacity Vehicle，這是一款有四個座位的掀背車，配有35千瓦時的鋰電池，每次充電可行駛100多公里路。還有一種款式變化的跑車，另配一臺小型柴油發動機及兩臺電動機，高時速達200公里以上。Megacity預計將于2013至2014年在萊比錫下線，寶馬在這里已投資了4億多歐元。寶馬指出，Megacity將成為全球首款出自生產線、整個乘客艙均采用輕質碳纖維復合材料制造、車架采用鋁材的汽車。從寶馬發布的簡圖來看，它頗像科幻電影里的一樣，蓄電池猶如平坦的墊子，置于整輛雙門車下，還有那超大的車輪，給人一種充滿動感、咄咄逼人的形象。
這款汽車將為這個競爭激烈的行業的工廠帶來什么影響?目前仍需拭目以待。寶馬其中一個競爭對手的輕量化專家說：“這是孤注一擲。”
身為經理的Norbert Reithofer亦充分意識到這些風險。他在2010年10月紐倫堡的一次汽車大會上說：“在采用這種技術的首輪生產周期中，我們可能賺不到錢，但是它將得到傳統技術的補助。”
技術觀點：多種不確定性
用于航空航天工業的復合材料已是一個增長市場。山特維克可樂滿可在這個領域提供多種刀具解決方案，包括PCD(聚晶金剛石)和硬質合金鉆頭。不過在汽車行業，對于復合材料有什么樣的實際需要，尚有多種不確定性。
在一級方程式賽車以及昂貴的豪華車和跑車上，碳纖維技術無疑已經成熟。但這只屬于基本上靠手工制造的少量汽車。
在山特維克可樂滿從事復合材料開發的francis Richt說：“在大批量生產方面，我們仍處在研發階段。但我們指望這種新材料不久就能派上用場，以減少電動及混合動力汽車的重量。” Richt補充說，航空航天工業的設備比車輛上的更加復雜，質量要求也更高，并且必須同步處理復合材料以及鈦金屬等其它材料。
Richt說：“例如，我們知道汽車結構比飛機結構更加均一，這就減少了要鉆數千個孔并進行大面積銑削的必要，但是必須能夠隨時進行其它鉆孔或加工內腔。即使這樣，我們仍可以看到，與非常先進的航空航天業相比，汽車制造業有不同的要求。”
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