碳纖維材料是否成為未來汽車首選

碳纖維復(fù)合材料真的是未來汽車最好的材料選擇嗎？這是一個(gè)很開放的問題，若說是，未來的發(fā)展誰又能說清楚呢？就像誰能想到巴西在7分鐘內(nèi)被德意志戰(zhàn)車連灌4球，顛覆了幾代球迷的足球觀。若說不是，那么當(dāng)今世界知名車廠都在積極部署碳纖維的研究與產(chǎn)業(yè)，難道都在打糊涂牌嗎？本文姑且拋磚引玉，梳理一下碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，希望能引發(fā)大家展開一場開放性的討論。



這是一個(gè)市場經(jīng)濟(jì)的年代，無論討論任何產(chǎn)業(yè)問題，歸根結(jié)底就是在算一筆經(jīng)濟(jì)賬。因此選題的核心就是碳纖維材料的使用是否能讓未來汽車具備更合理的成本、利潤競爭力。為了研究這個(gè)問題，我們來逐步展開分析。



首先，我們應(yīng)該知道碳纖維復(fù)合材料究竟是什么？碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是由作為增強(qiáng)材料的碳纖維和作為基體材料的樹脂組成（可以看成為1+1）。而一般復(fù)合材料的性能是優(yōu)于其組分材料性能的，并且產(chǎn)生了一些原有組分材料所沒有的性能（可以理解為1+1>2）。既然碳纖維復(fù)合材料有可能作為未來汽車的備選材料之一，那么它究竟能給汽車帶來哪些令人驚喜的好處呢？為了讓大家更好地理解，我們先來聊聊一個(gè)工業(yè)史上的大家伙——Boing787夢想飛機(jī)，通過縱向類比，引出兩個(gè)核心意義。 123456



●兩個(gè)核心意義

　　如今在北京飛往廣州的航線上，我們已經(jīng)可以選擇Boing787機(jī)型了，體驗(yàn)過的朋友向我描述了Boing787夢幻的外形、寬敞客艙、加大舷窗、加大行李箱、夢幻LED顯示屏…但這些都不是航空公司爭先采購Boing787的理由，做生意，真正關(guān)心的就是效益和利潤！因此Boeing787對(duì)于航空運(yùn)營商來說最大價(jià)值在于比同類飛機(jī)的飛行過程節(jié)能20%的燃油，總廢棄排放量減少20%（碳排放超額可是要收稅的?。?，比同類飛機(jī)降低噪音60%以上！而這一系列的優(yōu)良的運(yùn)營指標(biāo)都可以大致地歸納為兩方面的貢獻(xiàn)，一是飛機(jī)整體重量減輕，二是飛機(jī)的主翼可以采取前所未有的設(shè)計(jì)來降低阻力。而這兩點(diǎn)革命性的突破恰恰就在于Boing787飛機(jī)的碳纖維復(fù)合材料使用量占到了全機(jī)體積的80%！沒錯(cuò)，你可以說這是一架塑料飛機(jī)。從Boing787的啟示中我們可以看到，碳纖維復(fù)合材料對(duì)于工程產(chǎn)品的關(guān)鍵意義就在于輕質(zhì)高強(qiáng)和優(yōu)良的可設(shè)計(jì)性！

首先，汽車工業(yè)上常用的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的密度為1.5-2.0g/立方厘米，這只有普通碳鋼的1/4-1/5，比常用的鋁合金還要輕1/3左右，但碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能優(yōu)于金屬材料，其抗拉強(qiáng)度高于鋼材3-4倍，剛度高于鋼材2-3倍。使用碳纖維材料，在減輕車身質(zhì)量的同時(shí)，也可使得功率需求更小，進(jìn)而采用更小驅(qū)動(dòng)引擎和懸掛裝置，通過減少動(dòng)能而減少?zèng)_擊危險(xiǎn)，這種螺旋迭代式的結(jié)果將使得車身質(zhì)量進(jìn)一步減輕。因此，用碳纖維復(fù)合材料替換原來的鋼制件，其輕量化效果明顯。



（前面說到，Boing787的機(jī)翼，因?yàn)槭褂昧颂祭w維復(fù)合材料，所以能夠設(shè)計(jì)出阻力非常小的機(jī)翼，要知道，使用傳統(tǒng)的材料和工藝，是幾乎不可能制造出形如Boing787類似機(jī)翼的。因此可以看出，碳纖維復(fù)合材料可以根據(jù)不同的用途要求，靈活地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受力情況，通過調(diào)整纖維的種類、含量，鋪層方向和順序，在一定范圍內(nèi)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)材料強(qiáng)度、彈性和方向性的要求。例如，受有內(nèi)壓的薄壁圓管，已知縱向截面上的應(yīng)力為橫向截面上應(yīng)力的兩倍，因此，可以使用2：1的經(jīng)緯交織纖維，使環(huán)向強(qiáng)度為軸向強(qiáng)度的兩倍，從而獲得具有相同強(qiáng)度儲(chǔ)備的結(jié)構(gòu)，且大大降低了結(jié)構(gòu)重量。在傳統(tǒng)的金屬材料中，由于各項(xiàng)同性，往往滿足了最大受力方向的技術(shù)要求后另一方向的強(qiáng)度就會(huì)過剩，這無疑又增加了結(jié)構(gòu)的重量。）

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　　汽車，尤其是跑車在設(shè)計(jì)時(shí)往往需要考慮空氣阻力最小的外形，同時(shí)兼顧美觀性。在傳統(tǒng)的鋼制薄板沖壓成型時(shí)由于工藝的原因?qū)е峦庑魏徒Y(jié)構(gòu)有一定局限性，而采用復(fù)合材料成型則是可以不受約束地制作出各種滿足空氣動(dòng)力學(xué)原理及美觀需求的外形曲面。



當(dāng)然，除了有利于減輕車身重量并具備優(yōu)良的可設(shè)計(jì)性外，碳纖維復(fù)合材料還有一些獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，例如良好的耐沖擊性和耐腐蝕性。這樣的性能使得汽車零部件具有較長的使用壽命和極低的維修費(fèi)用。

●主要應(yīng)用

　　碳纖維材料在成型的時(shí)候有一個(gè)很突出的特點(diǎn)，那就是能夠?qū)⒉煌穸鹊牧慵?、凸起部、筋、棱等全部一體成型。這樣便為汽車結(jié)構(gòu)的模塊化、整體化制造奠定了良好的基礎(chǔ)，在一些先進(jìn)車廠的車型中我們可以看到類似的應(yīng)用，比如寶馬i系列電動(dòng)車的模塊化車身制造理念”LifeDrive”結(jié)構(gòu)，就是大量采用輕量化并且高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成。 123,123




奔馳公司的SLR Mclaren同樣也嘗試了全碳纖維材料的應(yīng)用，其車身呈現(xiàn)尖塔狀的碳纖維潰縮柱由無數(shù)根粗壯的碳纖維經(jīng)過編織而成，雖然結(jié)構(gòu)依然無比堅(jiān)硬，但是它能夠在正面碰撞時(shí)破碎成無數(shù)細(xì)小的碎片，來吸收大量的撞擊能量（據(jù)估計(jì)相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)可吸收能量的4倍），并且碎片不會(huì)對(duì)乘客造成傷害，這一點(diǎn)非常類似于汽車鋼化玻璃破碎的原理。



●能否普及，效益是關(guān)鍵

　　我們前面討論的都是碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能，然而，事有兩面，目前主要的弊端是難以提供質(zhì)量穩(wěn)定，能夠滿足汽車部件力學(xué)強(qiáng)度需要的低成本碳纖維材料；再者，還需要研發(fā)能夠批量制備復(fù)雜形狀的高性能汽車部件碳纖維復(fù)合材料成型技術(shù)。目前我們國內(nèi)在碳纖維復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究及成型技術(shù)等實(shí)際應(yīng)用上總體落后于國外，大部分碳纖維原絲及織物都依賴進(jìn)口。此外，碳纖維基本上不可降解，不可重復(fù)使用，而且根據(jù)豐田汽車的一項(xiàng)研究表明，碳纖維在生產(chǎn)過程中需要排放更多的二氧化碳，并會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣污水，同時(shí)碳纖維的生產(chǎn)過程極易對(duì)工人造成各種呼吸道和皮膚危害，所以該材料是否環(huán)保還有待論證。這些因素，我們都可以將其折算成為整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)上的成本附加值。

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●寫在最后

　　其實(shí)，用戶真的很在乎汽車究竟使用的是傳統(tǒng)鋁合金等金屬材料還是碳纖維復(fù)合材料嗎？最終,車身的輕質(zhì)高強(qiáng)和優(yōu)良的可設(shè)計(jì)性很大程度上是通過油耗這一經(jīng)濟(jì)指標(biāo)反饋到用戶體驗(yàn)上的。因此，在討論碳纖維復(fù)合材料是否是未來汽車最好的材料選擇時(shí)，用戶與車廠不光會(huì)考慮碳纖維復(fù)合材料的先進(jìn)性能，還會(huì)考察在考慮汽車的全生命周期下（從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、環(huán)境處理到用戶用車至退役的全過程），使用碳纖維所造成的額外成本與今后的油耗等經(jīng)濟(jì)效益相比是否劃得來，如果這個(gè)差距逐漸減少且最終趨于合理，那么我們又有什么理由去拒絕新材料、新技術(shù)給生活帶來的全新體驗(yàn)?zāi)兀?br />

來源：搜狐汽車