从金属材料到碳纤维_汽车轻量化到底是什么鬼

你如果关注了近年的汽车发布会，就不难发现，哪怕车身减重只有20公斤，各个车企也会争相发布此类数据。汽车轻量化的越来越成为汽车发展的趋势，就像是个美女也要秀一波在健身房减脂塑性的照片。
　　


　　实际上，汽车轻量化可以有效的实现节能减排的目的，数据表明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。
　　实现汽车轻量化主要从材料、结构、工艺三个方面入手，而采用新型材料是汽车轻量化最直接有效的方法。因此，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流，了解汽车轻量化材料还是很有必要的。
　　
　　常见的轻量化材料分为金属和非金属两大阵营。金属材料主要包括高强钢、铝合金、镁合金等；非金属材料包括工程塑料和复合材料等。提高汽车轻量化程度是各大厂家一直以来的目标，所以也就有了铝制和碳纤维的材料更多的运用到整体车身中。
　　


　　这些新材料在实际应用时会遇到多种多样的问题，比如替换材料后汽车的安全性、舒适性、动力性、操控性、经济性往往都会有所改变，需要重新审视。
　　其中安全性涉及到驾车和乘车人的生命安全，所以尤为重要，而汽车碰撞安全要求也在逐年提高，有限元仿真的方法是碰撞安全设计的重要手段，但如何才能准确的利用有限元仿真预测碰撞过程中的力学性能呢？答案是准确的材料力学性能表征。
　　铝合金材料
　　铝合金材料优点很多，它的密度是钢的1/3，比吸能是钢的2倍，延伸性好、耐腐蚀易回收，且其铸造性能良好，可加工成不同形状，是目前最为热门的轻量化材料之一。目前很多车型如奥迪A8、捷豹XFL、特斯拉等均已采用全铝车身。
　　

　　碳纤维材料
　　碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
　　碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为 23000~43000Mpa也高于钢。
　　
　　但碳纤维材料也只是沿纤维轴方向表现出很高的强度，其耐冲击性却较差，容易损伤，所以在制造成为结构组件时往往利用其耐拉质轻的优势而避免去做承受侧面冲击的部分。
　　目前，民用车中使用碳纤维材料结构并不多，多是集中在一些跑车上，并且多数跑车都沿用了F1赛车传统的布置方式，碳纤维单体壳作为承载结构和连接件而存在。但这终归只是富人的玩具，具有碳纤维单体壳结构的汽车往往价格十分昂贵，比如说迈凯伦570S Coupe、法拉利-LaFerrari等都是采用这种结构。
　　
　　很多人都对这种新材料的使用持怀疑态度，不仅是因为造价高，而且工艺难度大、维修成本高以及使用寿命不高等，说到底就是造价成本问题。
　　不同于传统的编织成型工艺、拉挤工艺、纤维缠绕成型工艺等等，现在出现了很多新式的成型方法，比如说就有某些公司采用了热塑性碳纤维工艺，可以将发动机盖一次整体成型，并大大提高了产品的强度和精度，解决了汽车碳纤维制件批量化的问题，综合成本相对会于镁铝合金还降低30%左右。
　　总的来说，铝合金材料可能会首先取代传统的钢材成为汽车轻量化的主要材料，但是由于焊接等一系列技术难题需要攻克，普通车企还不能把此类材料成熟的应用到汽车生产中。
　　另一方面，碳纤维单体壳作为一种质量轻、强度大、安全性高的车身结构，被广泛应用于性能车中。虽然现在还无法在民用车中普及，但在解决了原材料问题之后，相信距离其技术下放的时刻已经不远了。