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行业分析

为何碳纤维是一种神奇的材料?为何不用它生产所有的汽车?
来源:中国复材展组委会 作者:Ezra Dyer  2017-03-06 17:27:02
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=4484
  ——既然碳纤维可以改善一切,那我们为何不通过它来制造所有的汽车?
 
  
  碳纤维是一项杰出的发明,强度比钢强,质量比钢轻。从80年代开始,小约翰逊在这数十年间一直在使用碳纤维生产那种非常规的美国NASCAR(全国运动汽车竞赛)赛车。即使这么多年来出现了新的采购及生产方式,但是碳纤维价格始终昂贵。最新、最便宜,并具有碳纤维驾驶舱的Alfa Romeo 4C,尺寸小的只适合精灵鼠小弟(Stuart Little),但其价格却贵的跟梅赛德斯E级汽车一样。而正真的碳纤维之神的战车,迈凯伦、科尼赛克和兰博基尼艾文塔多(Aventador)的建议价都是六位数的价格(美元)。我们无法以接近铝的价格规模化生产碳纤维材料,更别说以钢铁的价格进行生产了。为何没有人可以使得碳纤维材料的价格下降?
  
  这就是为何我现在会在意大利圣阿加塔博洛涅塞的兰博基尼碳纤维工厂的原因,工人正在费力地将空气挤出碳纤维织物片材中。我想问那位穿着黑色工装正在弄这个材料的人:我们为何不去生产碳纤维单体壳结构的现代汽车?
 

Aventador
  
  碳纤维VS钢
 
  在2017年的今天,如果你要生产金属汽车核心部件,你只需将滚烫的液态铝或者钢或者镁倒入模具中进行浇注就行。你可以将其模压成型,或者用数控机进行雕刻,也可以将零碎的材料焊接在一起。你有多种选择,而且这些合理的选择具有快速、经济的特点。如要用碳纤维生产部件……好吧,你先要将原材料从冷藏室里拿出来。
 
  光滑的碳纤维卷材浸有树脂(称作预浸料)和胶黏剂,被储存于零华氏摄氏度。如果储存温度更高,那么树脂就会变硬。对温度的敏感性意味着你不能通过数控激光将材料切割成型。为确保材料保持低温和柔韧,你需要一把刀,这把刀最终也会磨损。时间一分一秒的过去。从这些碳纤维塑料丝第一次被切割算起,你大约有一天的时间让其成型。
 
  因此,你会拿着塑料抹刀匆匆干活,并用力将黑色和银色的片材与模具结合。该模具一般只能用300次左右,之后就会变形并且报废。Piera女士一边干活一边跟我解释这些,她看上去被我缓慢的步伐弄得有点失措。她通过一台吹风加热材料,使其可以更加柔软。当然,你也不能过分加热,否则预浸料会提前变硬,变成错误的形状。
 
  看上去很科幻,其实是手工制作
 
  大约十年前,我拜访了兰博基尼另外一家工厂。当时我看到一位女士正很可爱的在为兰博基尼蝙蝠汽车针织座椅。践行一系列需要技巧的手工活是非常吃力的,同时对于规模化汽车市场来说,也是低效的。如今我在此再次见证了类似程度的手工技艺,用来生产我们看上去非常科幻的材料。我的意思是我们可以设想通过手工来编织兰博基尼座椅的皮革。但是那些看着像是用于航天的车翼以及艾文塔多车身中部的大型碳纤维舱室呢?这些看着都像是来自被捕的外星飞船之上的部件,且看上去是一种逆向工程,而不是出自意大利某个名叫Piera的女人的手工活。然而,这仍然是生产碳纤维部件最经济的方式。总之,对于小规模生产来说是这样的。
 
  “如果我要生产10个部件,那么手工的方式仍然是最好的选择”,兰博基尼先进复合材料研究中心主任Luciano De Oto称。“如果是超过2000个部件,那么我需要提升自动化,并且需要使用短切纤维”。这将是“锻造”的碳纤维材料,然而,是我们也可以来生产这样的材料。首先,我得将我的部件用真空袋来进行抽真空。
 
  为保证碳纤维的第一层能够完全适应模具,我将片材用真空袋密封,并抽出各材料层之间的空气。接着,在我整体将其放入另一更厚的真空袋前,我用更重的织物将其覆盖。真空袋就跟夏天你用来压缩羽绒被的东西一样。在去除空气后,我们又增加了四层材料,在完成最后一层材料的铺放之后,又重复了一遍真空工作。这很枯燥。一些公司,如宝马,正在建立机器人生产线来完成这些工作,比人工作起来要快。但即使是这样,还是慢。
 
  除了时间密集型特征外,碳纤维材料的生产过程同样需要消耗巨大的能源。冷藏室和吹风机对能源的消耗比起后面使用的热压罐来说,简直是小巫见大巫,热压罐是一种压力高温炉,用于固化部件。我特制的那块手糊件将被置入400摄氏度、6个大气压压力的炉内烘烤6个小时。兰博基尼工厂的屋顶装有至少1.2兆瓦的光电太阳能阵列。
 
  规模化生产解决方案
 
  在我制作的部件固化期间,我直奔兰博基尼的铸造部件生产区。跟之前编织齐整的预浸料不同,这里的设备使用的是一种粗糙的碳纤维材料,称作短切毡。其中一块材料在模具上被锻造出基本的形状,接着被移到一台有八个活塞的锻造机上,锻造机对材料施加了300度的高温以及2900 psi的压力。与预浸料不同,短切毡可以通过模压形成各种特别的形状,如螺旋锚形、薄脊梁形,这些形状是不可能通过手工包裹缠绕来实现的。这种工艺基本上是自动化的,20分钟后我们会获得跟在热压罐中一样的部件,而热压罐中的部件还需5个多小时才能固化成型。
 
 
热压罐温度高达400摄氏度,并且可以在每个固化件上施加6个常规大气压的压力。
  
  锻造的部件不如手糊的部件质量轻、强度高。但如果碳纤维将成为主流,那么这样也对。“钻石比黄金贵”,De Oto称,“碳纤维的价格不会降到铝的价格,但在未来十年,短切毡有可能达到”。即使汽车采用碳纤维短切毡,如宝马i3,那么从铝到碳纤维,这也是一种巨大的变革。更轻、每加仑更多里程,并且不会降低安全性。
 
  复杂的手糊部件需要用到冷藏室、热压罐、真空袋、真空袋、挤压空气用的刀以及易损的模具。这种特殊的材料部件也就只能用于那些特殊的汽车之上。兰博基尼需要3周才能生产艾文塔多的白车身。即使在俄亥俄州的雅阁汽车工厂,这种速度也实现不了飞速提升。
 
  工厂17点开始清人,我随着身着黑色工服的工人走出大门。我永远也不可能看到我自己亲手制作的部件,因为它还在热压罐内,我没有时间再等。
  
  碳纤维事实情况
 
  托马斯爱迪生通过竹子和棉花制造了碳纤维,作为灯泡的灯丝。
 
  波音可以修复受损较小的787门上的碳纤维复合材料。
 
  近70%碳纤维由日本生产。
 
  用碳纤维生产的最雷人的产品:碳纤维软呢帽。
 
  空中飞人医生
 
  当一辆艾文塔多撞击受损后,兰博基尼会派出“飞人医生”,即受训技术人员,对碳纤维部件进行修复。修复团队有6个超大的行李工具箱,箱内有超声设备和可携带的修复设备,这些工具箱被战略性的部署在全球。为何不用他们自己的工具箱来检测呢?“顾客们不喜欢跟化学品打交道”,碳纤维材料修复团队的负责人说道。除此之外,也没有必要延误更多的时间。他谈到:“我们需要为在中国的一辆车制造一种新的工具,用来修复整个踏板部分”。“修复工作将持续两周”。技术人员将清除受损部分并对其进行重建,一层又一层,直到确认碳纤维部件与原件一样。事实上,兰博基尼起草了ISO 17065标准。也就是说,如果要修复一辆受损的法拉利Enzo,法拉利就必须按照兰博基尼的规则来对修复结果进行确认。是的,兰博基尼的空中飞人医生们对此很是津津乐道。
 
文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=4484