汽车碳纤维,越刮越烈的“高碳”之风

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碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料,其微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构。顾名思义,它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼具纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。质量仅为铁的1/4,但强度却可达到铁的10倍以上,是应用前景非常广的新材料。
  研究显示,若利用碳纤维重量轻和高强度的特性来制造飞机,并将碳纤维材料使用率提升到50%,可使飞机重量减轻30~40%,节省了燃料消耗、减少排放量。每载一百人飞行1公里,可减少二氧化碳排放2kg.碳纤维非常稳定,不会起化学反应,也几乎不受温度与压力的变化而产生质变。相比635℃时会出现软化,到了1400℃更会熔化的钢材,碳纤维在20~2000℃度范围内具有越高温越坚固的特性。
    早在1992年,美国通用汽车公司就提出了超轻概念车。该车车身采用碳纤维复合材料,由手工碳纤维预浸料工艺制造,整体车身的质量为191公斤。用碳纤维取代钢材制造车身和底盘构件,可减轻整车质量68%,从而节约汽油消耗40%。
  
  越刮越烈的“高碳”之风
  
  碳纤维的生产主要集中在美国,英国,法国和日本等少数发达国家的几家企业。其中,日本三家生产企业的碳纤维产量约占世界碳纤维总产量的70%以上。全球碳纤维的需求都在升温,其中汽车碳纤维新市场也正在兴起。
  
  碳纤维技术在汽车领域的应用率先从赛车开始,近年来在民用汽车中也逐渐有了广泛的引用。因其又轻又坚硬的特性,减轻了汽车的重量从而减轻油耗。利用其耐拉质轻的优势而避免去做承受侧面冲击的部分。深沉黑色编织花纹的碳纤维组件已不单单只是为了看上去拉风,其更为优质的性能特点成了人们选择它的重要因素。
  
  如今碳纤维材料在民用汽车,尤其是在中档车方面应用十分广泛,很多厂商已经开始提供碳纤维材料的小组件,如后视镜壳、排挡杆、内饰门板、门把手、空气套件、赛车座椅等,同时发动机舱的风箱、进气歧管等碳纤维改装件也品种繁多。
    
  绕指柔化百炼钢
  
  量变引起质变,从纸般柔软到钢铁般强硬的质的飞跃,就是在模具中按纤维方向交错叠放碳纤维布,利用环氧树脂粘接剂将5到10层甚至更多层薄如蝉翼的碳纤维布逐层粘在一起,粘合成加厚版碳纤维布。此时它的柔韧性已经非常的差,几乎跟刚性材料差不多。
  
  之后再用高温高压烤箱进一步压缩、强化,制成汽车组件的成品毛坯,再经过一系列的打磨、抛光等工序,亮闪闪的车身组件就加工好了。这一过程看似简单,但是其中碳纤维布的成本以及精细的加工工序,使得碳纤维制品无法进行大规模的工业生产,因此如今的碳纤维产品也是异常昂贵。
  
  手感与塑料差不多,却有着钢铁一般强度和韧性的碳纤维组件,不仅能够帮助整车有效减重,更由于其昂贵的特性而变成奢华的象征。法拉利、兰博基尼等超级跑车为了追求轻量化,也都大规模应用碳纤维组件甚至整车使用碳纤维材料。
  
  F1赛车中随处可见的“碳影”
  
  碳纤维在F1方程式赛车领域的应用已不是新鲜事,分秒必争的激烈竞争以及日益严苛的比赛规则,强迫各大车队去重视碳纤维技术的应用。数年来,F1车队一直采用碳纤维复合材料制造赛车车身和碰撞缓冲组件,以减少赛事中的伤亡事故。
  
  碳纤维制成的赛车车身除了更轻盈外,由于碳纤维复合材料吸收能量的能力是普通金属材料的4~5倍左右,车辆的抗挤压能力也令人惊叹;同时,由于不受传统车身结构的限制,车辆造型可以像发型一样多样变化,更加适合制造赛车的独特车型。
  
  在抗冲击测试中发现,铝质底盘吸收了部分能量,受到挤压变形,但由碳纤维制造的乘客区却安然无恙,甚至在侧面的强冲击力作用下,车厢内的假人模型也毫发无损。即便车辆受到猛烈的撞击,车体也只略受损伤,并无大碍。只要将碳纤维受损的部分切除再粘上新部件,就可以让车辆恢复原状。
  
  如今,经过精密计算和加工的单体壳车体,已基本能够满足F1方程式赛车在极端碰撞下不变形的技术要求。2007年加拿大站,库比卡的赛车以超过300km/h的速度撞向防护墙,赛车被弹到空中掉落翻滚在赛道的另一头。整辆赛车基本粉碎,但座舱完好,车内的库比卡竟然只是扭伤了脚踝,连下一次比赛都没耽误。库比卡能只受轻伤的原因就在于,在瞬间遭受强烈冲击时,碳纤维车身立即变为粉末,尽可能地吸收了能量,从而保护赛车手。
  
  碳纤维回收利用成难题
  
  在民用汽车领域,奔驰尝试应用碳纤维材料作为溃缩区域,首先应用在SLR McLaren上。呈尖塔状的碳纤维溃缩柱由无数根粗壮的碳纤维经过编织而成,结构依旧无比坚硬,但在设计上它能够在正面碰撞时破碎成无数细小的碎片,吸收大量的能量,并且碎片不会对人造成伤害,这一点非常类似于汽车钢化玻璃的破碎原理。
  
  但由于碳纤维很难回收再利用,因此碳纤维的溃缩柱只能是一次性产品,其高昂的价格让它目前只能应用在超级跑车领域。
  
  如何使碳纤维制品回收再利用成了一个棘手的问题。眼下,宝马公司一马当先,率先研发出了最新的处理碳纤维“边脚料”的方法。即通过高温分解,将这些“边脚料”退回到未加工的状态,但是通过此种方法生产出的复合材料只具有碳纤维一半的硬度。
  
  如今汽车碳纤维市场越来越热,相信在不久的未来,汽车本身会越来越“高碳”,而汽车排放也会越来越“低碳”。