碳纖維復(fù)合材料將成為汽車(chē)輕質(zhì)車(chē)身造型材料
發(fā)布日期：2012年09月27日
碳纖維復(fù)合材料將在汽車(chē)減重的努力中起到關(guān)鍵的作用，盡管會(huì)面臨批量生產(chǎn)的巨大挑戰(zhàn)。
隨著環(huán)保規(guī)定趨于嚴(yán)格，以及汽車(chē)使用數(shù)量隨城市發(fā)展與日俱增，汽車(chē)工業(yè)不得不以新的方式思考問(wèn)題。無(wú)論是混合動(dòng)力還是純電動(dòng)汽車(chē)，新的輕質(zhì)車(chē)身造型和蓄電池使用壽命已成為大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。
在2014年，幾乎所有汽車(chē)制造商都要提供混合動(dòng)力車(chē)，而這只是個(gè)開(kāi)始。德國(guó)杜伊斯堡-艾森大學(xué)汽車(chē)研究中心教授兼主任Ferdinand Dudenh?ffer談到了汽車(chē)制造技術(shù)方面的變革。他說(shuō)：“到2025年，全球純?nèi)加托萝?chē)的份額將跌至35%。”根據(jù)另一項(xiàng)預(yù)測(cè)，在今后10年里，每年將售出大約2,400萬(wàn)輛混合動(dòng)力及電動(dòng)汽車(chē)。Dudenh?ffer表示，這只是個(gè)保守?cái)?shù)字。但是所有汽車(chē)制造商都要竭盡全力解決同樣的問(wèn)題——重量。安裝蓄電池后，純電動(dòng)汽車(chē)的重量會(huì)增加大約250公斤;充電式混合動(dòng)力汽車(chē)則會(huì)增加約200公斤。
沃爾沃汽車(chē)公司正嘗試找到一個(gè)可行的解決方案。其瑞典哥德堡的工程師與英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院航空系的研究人員合作，研制出一種復(fù)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(chǔ)存。這一努力的構(gòu)想是，未來(lái)沃爾沃汽車(chē)的車(chē)身將起到電化學(xué)蓄電池的作用。但是目前離實(shí)現(xiàn)這種解決方案還有多遠(yuǎn)呢?
沃爾沃汽車(chē)材料中心開(kāi)發(fā)工程師Per-Ivar Sellergren對(duì)此表示樂(lè)觀(guān)。他說(shuō)：“如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，到2012年年底，我們就會(huì)有這種電化學(xué)蓄電池功能復(fù)合材料的汽車(chē)行李箱樣機(jī)。”而成本則是個(gè)問(wèn)題，但Sellergren說(shuō)，即使它仍比鋼和鋁貴很多，電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車(chē)的未來(lái)還是取決于復(fù)合材料。
據(jù)沃爾沃計(jì)算，用新電池材料制造的發(fā)動(dòng)機(jī)罩，其成本可能相當(dāng)于原來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩加上一個(gè)鋰離子蓄電池。他說(shuō)：“作為制造商，我們可以增加一點(diǎn)碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩的成本，因?yàn)槲覀儗?shí)際上是白白得到了蓄電池。”
沃爾沃汽車(chē)公司復(fù)合材料專(zhuān)家Ulf Carlund指出，目前復(fù)合材料的加工方式過(guò)于緩慢，并且早期對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)制造廠(chǎng)的投資還需加以利用。這在一定程度上導(dǎo)致使用鋼材的傳統(tǒng)汽車(chē)制造商對(duì)復(fù)合材料無(wú)所適從。沃爾沃的專(zhuān)家們指出，盡管如此，但是現(xiàn)在變革的意愿非常強(qiáng)烈，公眾將會(huì)看到越來(lái)越多聚合物復(fù)合材料應(yīng)用到新型汽車(chē)的里里外外。
奧迪鋁制汽車(chē)A2已使該公司成為制造輕型汽車(chē)的先鋒。在公司位于德國(guó)南部?jī)?nèi)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(chē)豪華車(chē)型布加迪開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料的技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)，而且還進(jìn)一步發(fā)展其附屬公司蘭博基尼已采用的碳纖維技術(shù)。
在身價(jià)超過(guò)12萬(wàn)歐元、每天只生產(chǎn)15至20輛的奧迪R8 Spyder跑車(chē)中，奧迪在車(chē)頂行李箱的兩邊及頂部均采用了碳纖維增強(qiáng)聚合物。這樣做可使其在低成本的批量生產(chǎn)中更具成本效益，但要實(shí)現(xiàn)一個(gè)前提：可以用單個(gè)碳纖維零件代替多個(gè)鋁制零件。奧迪在Leichtbauzentrum的開(kāi)發(fā)工程師Karl Durst說(shuō)：“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(gè)項(xiàng)目在進(jìn)行，在復(fù)合材料中加入纖維，就能提升與鋁相比的重量?jī)?yōu)勢(shì)，這種重量?jī)?yōu)勢(shì)從17～18%到25%不等。項(xiàng)目的關(guān)鍵是，這種材料需要達(dá)到與鋁材相同的抗拉與抗壓負(fù)荷能力。Durst說(shuō)，即使這樣，仍有若干大小問(wèn)題需要解決，特別是復(fù)合材料與其它材料接合處的腐蝕問(wèn)題。另外還有噪音，隨著汽車(chē)不斷減重，噪音水平也會(huì)增加，因此需要絕緣隔音，這又增加了重量。
另一個(gè)挑戰(zhàn)是，汽車(chē)技師對(duì)所處理的材料是否熟悉。Durst說(shuō)：“不管是在世界哪個(gè)角落，即使是小型的奧迪修理車(chē)間都應(yīng)該能夠修理汽車(chē)并替換復(fù)合材料零件。”
制造工藝有待改進(jìn)。德國(guó)設(shè)備制造商福伊特(Voith)附屬公司福伊特復(fù)合材料(Voith Composites)的經(jīng)理Lars Herbeck預(yù)見(jiàn)到了多個(gè)領(lǐng)域的強(qiáng)大需求。例如材料的優(yōu)化流水作業(yè)、每年10萬(wàn)多個(gè)零件的定速生產(chǎn)，以及速度更快的生產(chǎn)周期等。與生產(chǎn)速度以秒為單位計(jì)算的鋁制零件相比較，較大的復(fù)合材料零件制造可能需要20分鐘至1小時(shí)。這在航空航天工業(yè)中還可以接受，但在汽車(chē)行業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的裝配線(xiàn)中卻行不通，整個(gè)汽車(chē)行業(yè)全球每年產(chǎn)出超過(guò)5,500萬(wàn)輛汽車(chē)。
德國(guó)普芬茨塔爾的弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所復(fù)合材料部研究員Oliver Geiger正在探索讓大型企業(yè)在不同領(lǐng)域攜手合作的途徑。而奧迪的Durst則談到通過(guò)技術(shù)飛躍，而不是依靠緩慢的循序漸進(jìn)式發(fā)展的必要性。
從2004年起就在SLR邁凱輪賽車(chē)上使用碳纖維的戴姆勒公司，也在加大力度開(kāi)發(fā)這一技術(shù)，并于2010年4月開(kāi)始與全球領(lǐng)先的碳纖維制造商日本化工公司東麗進(jìn)行一項(xiàng)合作。目標(biāo)是在三年內(nèi)，為年產(chǎn)2萬(wàn)至4萬(wàn)輛的車(chē)型開(kāi)發(fā)出碳纖維零部件。與此同時(shí)，其主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手寶馬公司(BMW)則要大膽得多。寶馬正與德國(guó)合作伙伴西格里碳素公司(SGL Carbon)共同投資1億美元，在美國(guó)華盛頓州摩西萊克興建一家復(fù)合材料工廠(chǎng)。寶馬公司財(cái)務(wù)主管Friedrich Eichinger指出，該工廠(chǎng)將首次以具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格進(jìn)行大批量生產(chǎn)。目標(biāo)是將材料價(jià)格減至目前碳纖維價(jià)格的一半以下，現(xiàn)在賽車(chē)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(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)，年產(chǎn)能大約1,500噸，并將用來(lái)生產(chǎn)寶馬新型電動(dòng)汽車(chē)Megacity Vehicle，這是一款有四個(gè)座位的掀背車(chē)，配有35千瓦時(shí)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(chē)，另配一臺(tái)小型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，高時(shí)速達(dá)200公里以上。Megacity預(yù)計(jì)將于2013至2014年在萊比錫下線(xiàn)，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(chǎn)線(xiàn)、整個(gè)乘客艙均采用輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料制造、車(chē)架采用鋁材的汽車(chē)。從寶馬發(fā)布的簡(jiǎn)圖來(lái)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(mén)車(chē)下，還有那超大的車(chē)輪，給人一種充滿(mǎn)動(dòng)感、咄咄逼人的形象。
這款汽車(chē)將為這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的行業(yè)的工廠(chǎng)帶來(lái)什么影響?目前仍需拭目以待。寶馬其中一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的輕量化專(zhuān)家說(shuō)：“這是孤注一擲。”
身為經(jīng)理的Norbert Reithofer亦充分意識(shí)到這些風(fēng)險(xiǎn)。他在2010年10月紐倫堡的一次汽車(chē)大會(huì)上說(shuō)：“在采用這種技術(shù)的首輪生產(chǎn)周期中，我們可能賺不到錢(qián)，但是它將得到傳統(tǒng)技術(shù)的補(bǔ)助。”
技術(shù)觀(guān)點(diǎn)：多種不確定性
用于航空航天工業(yè)的復(fù)合材料已是一個(gè)增長(zhǎng)市場(chǎng)。山特維克可樂(lè)滿(mǎn)可在這個(gè)領(lǐng)域提供多種刀具解決方案，包括PCD(聚晶金剛石)和硬質(zhì)合金鉆頭。不過(guò)在汽車(chē)行業(yè)，對(duì)于復(fù)合材料有什么樣的實(shí)際需要，尚有多種不確定性。
在一級(jí)方程式賽車(chē)以及昂貴的豪華車(chē)和跑車(chē)上，碳纖維技術(shù)無(wú)疑已經(jīng)成熟。但這只屬于基本上靠手工制造的少量汽車(chē)。
在山特維克可樂(lè)滿(mǎn)從事復(fù)合材料開(kāi)發(fā)的francis Richt說(shuō)：“在大批量生產(chǎn)方面，我們?nèi)蕴幵谘邪l(fā)階段。但我們指望這種新材料不久就能派上用場(chǎng)，以減少電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車(chē)的重量。” Richt補(bǔ)充說(shuō)，航空航天工業(yè)的設(shè)備比車(chē)輛上的更加復(fù)雜，質(zhì)量要求也更高，并且必須同步處理復(fù)合材料以及鈦金屬等其它材料。
Richt說(shuō)：“例如，我們知道汽車(chē)結(jié)構(gòu)比飛機(jī)結(jié)構(gòu)更加均一，這就減少了要鉆數(shù)千個(gè)孔并進(jìn)行大面積銑削的必要，但是必須能夠隨時(shí)進(jìn)行其它鉆孔或加工內(nèi)腔。即使這樣，我們?nèi)钥梢钥吹剑c非常先進(jìn)的航空航天業(yè)相比，汽車(chē)制造業(yè)有不同的要求。”
