汽车的减重需求与复合材料

    现代的汽车设计有安全、舒适、节能和环保等4项明确要求。因此减轻结构重量,从而节省燃油、减少尾气排放和环境污染是汽车设计的重要发展方向。为此,上的各大汽车公司均在制定和执行汽车的轻结构战略计划。如BMW(宝马)等公司明确提出每车要减重100Kg以上的目标,提高燃油效率,CO2排放减到7.5~12g/km以下,美国进一步提出30千米/每升汽油的里程目标。据知,汽车结构每减重10%,燃油消耗可节省7%,大大减少了寿命期内的使用成本。若车体减重20-30%,每车每年CO2排放可减少0.5吨。
    汽车减重,当前重要的措施就是在大量采用先进复合材料。先进复合材料具有比强度高、比刚度高,可设计性强,疲劳耐久性好,耐腐蚀,可大规模整体成型,减震阻尼性能好等一系列独特的优点,其中核心的是比强度、比刚度高。先进复合材料用在飞机上是代铝,可减重20~30%,用在汽车上是代钢,用比重仅有1.6g/cm3的复合材料代替比重7.80/cm3的钢,减重效果可达40~60%,效益明显可观。所以前几年美国能源部(DOE)联合美国汽车研究会(USCAR)共同发起一个五年计划项目,率先投资$1.95亿,旨在发展轻质高强汽车用材料,复合材料当其冲。
    笔者从事飞机设计近50年,常常念念不忘的是“为减轻每一克重量而奋斗”,汽车设计虽与飞机不同,但减重的需求一样是迫切的。又笔者从事先进复合材料发展研究40多年,亲眼目睹和跟踪了“飞机结构复合材料化的全过程”。飞机结构从上世纪70年代开始应用复合材料,从不大受力的舱门、口盖、整流罩入手,再从舵面到尾翼,一直到今天的机身、机翼等主承力结构,从军机、民机、直升机一直到无人机,以至今天的B787、A350大型客机,已基本上是全复合材料飞机了,机上的主结构基本上全由复合材料制成,多年来一步一步走完了飞机结构复合材料化的进程。以是观之,难道汽车工业就不会走上这条路吗?减重、节油、减少污染要求是一样的,道理是相同的,结论应该是肯定的,汽车结构早晚也会走上复合材料化的道路。有人预言,2020年后汽车用材将不会以钢为主,而会以复合材料及铝合金为主。下面会看到上已开始了积极启动此项进程。
    在上世纪70年代初刚诞生碳纤维复合材料时,美国底特律汽车工程师协会就预言“复合材料给汽车工业带来的冲击将不亚于当年电子工业对于汽车的冲击”,但多年后并为实现,主要问题是复合材料成本太高,汽车工业一时难于承受。并说碳纤维必须降到$11/kg以下汽车工业才会大规模应用。但近年来事情有了变化,随着低成本大丝束碳纤维的出现,特别是低成本制造工艺的发展,使得复合材料成本有了较大下降,加之客观需求的强烈,先进复合材料在汽车领域的应用开始呈现出蓬勃发展之势。
    还应指出,先进复合材料历经多年的研究、应用和发展,已在技术上取得了长足的进步和发展,这为在汽车领域的应用提供了强有力的技术支撑和前提条件,在汽车领域大规模应用先进复合材料此其时也。