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一文了解復合材料實現輕量化的三種途徑

2023-09-06 14:48:02 作者：本網整理來源：網絡分享至：

如今，制造商和消費者都發現燃油經濟性是一個值得關注的熱門話題。在汽車市場上，全球各國政府正在對乘用車和輕型卡車實施更嚴格的油耗標準。例如，在美國，有關公司平均燃油經濟性（CAFE）的法規旨在到2025年使乘用車的燃油效率達到54.5 mpg。

對于復合材料而言，輕量化解決方案可以使用三種不同的方法成功實施。這些技術可以單獨使用或彼此結合使用。

1、每個組件均使用較輕的材料

“輕量化”的最普遍理解的含義即使用較輕的材料即可。但是，由于強度較高，設計工程師通常默認考慮金屬和合金材料。下圖顯示不同汽車材料的強度和密度。

汽車輕量化材料的拉伸強度和密度

不過幸運的是如今材料科學取得了長足的進步，以至于復合材料領域中還有其他可行的選擇。因此，可以根據強度、安全性和其他性能要求，為汽車和飛機的每個組件考慮使用不同的重量較輕的材料。

2、使用更少的組件

第二種輕量化技術主要涉及減少車輛的整體零件。由于技術的進步，汽車中電子部件的數量隨著時間的推移而增加，例如無線通信、高級駕駛員輔助系統（ADAS）和車輛電氣化等，這使得確保電子設備的安全成為當務之急。

因此在上述不可能減少車輛零部件的總體數量的情況下，另外一種重量輕的解決方案就是從材料本身采用較少的零部件。例如，復合材料制成的蜂窩板結構因其高強度已成為輕量化的首選。但是，由于其核心結構由大的開孔網格組成，因此必須將面板包裹在多層粘合劑和蒙皮層中，以防止水和灰塵進入。這些膜還需要足夠厚以產生光滑的表面并防止蜂窩圖案的轉移可見。

而像聚氨酯泡沫這樣的材料可以使用不透水的閉孔結構生產，因此不會因浸水而腐爛、翹曲、彎曲或分層。此外，泡沫具有自結皮性能，可自動密封并準備上漆或涂層，從而獲得適當的外觀和紋理。制造零件所需的制造步驟越少，成本和時間自然而然節省就越大。

3、使用過程中減少消費

有關環境影響和可持續性的擔憂通常與燃油經濟性相關聯。有時需要考慮這樣的問題，例如為了制造一輛輕型卡車或直升機，會產生多少廢物？使用一些材料（例如木板或蜂窩板），可以通過構建具有適當尺寸板材，然后將其加工成所需的形狀來制造結構。但是，這種方法會涉及很多浪費。因此，根據所選擇的輕量化材料，使用其他處理技術可能會減少浪費并降低成本。主要方法如下：

定制成型：不是將板材或塊加工成零件形狀，而是創建定制工具以用輕量化材料成型零件。該技術的優點是細節層次高，無需機械加工即可形成復雜形狀，并具有所需的光滑或有紋理的表面。
熱成型：此過程涉及模具成型，易于使用，非常適合在較淺的坡度和角度進行成型。通過熱成型，可以在幾分鐘內形成需要大量復雜性的零件。
夾心板疊層：復合材料生產中常用的一種技術，此過程使用標準的真空袋疊層或溫度超過275°的熱壓機。但是，重要的是要注意，某些輕質材料（如聚醚酰亞胺PEI）雖然具有良好的強度特性，但并不完全適合在高溫下進行加工。

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