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1 汽車為什么要減重？ 在了解源自軍事領域的輕量化材料之前，我們先要知道輕量化的好處。如今的汽車尺寸越做越大，同時各種配置也越發豐富，這些都會增加汽車的整備質量，重量增加了自然會影響到動力、操控以及制動性能，同時油耗表現也會非常“感人”。 反之，在動力等客觀性能不變的情況下降低車重，就可以得到更好的加速、制動以及油耗表現，同時操控能力也會更為出色。可以說，輕量化實際上也是一種提升車輛性能的改裝途徑，畢竟“江湖”也流傳著“一輕治百病”的原則。 此外，輕量化對提高車輛的安全性也至關重要。在遇到碰撞事故時，整備質量越輕就意味著動能越小，撞擊所產生的能量也相對更低。因此在同等強度下，更輕的車身理論上損傷程度也會降低，同時也能減少對其它車輛產生的傷害。 2 汽車減重等于簡配嗎？ 首先需要明確的是，面對激烈的市場競爭和安全、環保法規要求，要實現汽車減重并非易事。工程師不能為了偷輕就減少結構用料，因為這樣會導致車輛強度降低；工程師也不能去掉功能配置組件，因為那樣汽車就失去了競爭優勢；當然工程師也不能把車造的太小，因為“加長”才能迎合主流市場需求。 ? 那么問題來了，在這些條條框框的制約下如何實現輕量化呢？我們需要從優化結構和輕量化材料兩個方向入手解決。 通過優化車身結構，可以在保證強度的前提下提高材料的利用率，減少不必要的材料堆砌。隨著計算機技術的發展，工程師可以通過模擬軟件“輕松”獲取這些數據，從而設計出最優化的結構。 通過優化結構來實現減重畢竟效果有限，因此工程師還絞盡腦汁去尋找更多新型材料來幫助減重，這就是我們常說的輕量化材料。從早期的木質結構，到后來出現的鋼材，再到今天逐漸普及的復合材料等等，制造汽車的材料都在朝著更輕更堅固的方向發展。不過在這一切的背后，少不了軍事裝備發展的貢獻。 03 只為飛的更高更快 輕量化材料與軍用飛機的不解之緣 與不計成本的軍用飛機研發不同，汽車是一種盈利商品，因此不可能無限度的采用昂貴的材料打造。所以當一種合適的材料大規模量產之前，就需要軍用技術來“試水”。與汽車的輕量化趨勢一樣，軍用飛機對于整備質量也十分敏感。 在20世紀30年代，金屬結構的軍用飛機開始逐漸成為主流，而同時期的汽車還以木質結構為主。與木質結構相比，金屬結構擁有更出色的剛性和加工性能，可以幫助飛機承受更大的壓力。 20世紀50年代之后，軍用飛機開始跨入超音速時代。在超音速飛行狀態下，由于氣動摩擦等原因會導致機體溫度升高，傳統鋼材會因此產生強度降低和形變，因此鋼材結構已經無法滿足當時飛機性能要求。在這樣的背景下，強度更高且重量更輕的合金材料開始得到應用，例如合成金屬以及復合材料等等。 隨著合金材料和新工藝的成熟，汽車廠商也開始嘗試原本僅應用在航空領域的合金材質。例如鋁合金就是一種成功引入民用汽車制造的新材料，“全鋁車身”作為一種宣傳手段，開始被公眾所熟知。 ? 新材料和新工藝實際上是相輔相成的關系，隨著彼此的發展而不斷進步改進。不可否認，包括鋁合金在內的許多新型材料逐漸商用化，民用汽車在輕量化的道路上越走越順。當然，技術的進步肯定不會到此為止。 ? 04 汽車材料的未來可能是“塑料” 與傳統的鋼材料相比，鋁合金擁有更低的密度，因此重量較低。但是由于其強度相對較低，因此不可能完全取代傳統鋼材，其目前在量產車型上僅應用于結構部件，而主要受力的關鍵區域則依舊采用高強度鋼材。此外，由于鋁合金的成本很高，且加工難度較大，因此依舊不能成為汽車主流制造材料。 05 汽車材料的未來 很可能是“塑料” 無論是傳統鋼材還是合成金屬，在軍事和汽車領域都已經有了廣泛應用。但是問題又來了，這些金屬的重量依舊不夠輕盈，并且制造成本也算不上低廉。從目前的技術方向看，非金屬復合材料似乎才是最佳選擇。 當然，我們常見的塑料制品強度顯然不適用于工業產品，而非金屬復合材料的種類實在太多，由于篇（zhi）幅（shi）有限，在此就不過多展開了。與合成金屬一樣，非金屬復合材料的“助推劑”同樣是軍用飛機研發領域，從20世紀70年代開始，非金屬復合材料開始在軍用飛機上大規模使用，并逐漸發展成熟。 我們比較熟悉的碳纖維也屬于非金屬復合材料，其擁有質量輕、強度高并且耐高溫等特點，因此擁有十分廣泛的工業應用前景。 在許多賽車和高性能車上也能見到碳纖維的應用，不過由于現階段碳纖維的造價比較高，并且塑性加工性能沒有金屬那么靈活，因此在汽車領域的應用范圍還比較有限。 不過隨著復合材料的研發，包括碳纖維在內的非金屬復合材料的大規模商業量產只是時間問題。在2018年3月舉辦的復合材料行業專業展覽會上，我們就看到了許多創新成果。相信有一天，當非金屬復合材料在各方面性能達到或超越傳統金屬材料時，我們的汽車產品會真的變成一款不折不扣的“塑料”制品。 全文總結各種公開數據顯示，非金屬復合材料在整車制造領域的占比正在逐年增加，反之傳統鋼材的利用正在逐漸減少。此外，隨著新能源車型的普及，安置沉重的電池組也需要車體結構本身擁有更好的輕量化性能。因此在各方面的“壓力”下，我相信汽車輕量化的道路會越走越遠，并催生出更多質量輕盈、低成本且高強度的新型材料。 |
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