一文了解复合材料实现轻量化的三种途径

2023-09-06 14:48:02 作者：本网整理来源：网络分享至：

如今，制造商和消费者都发现燃油经济性是一个值得关注的热门话题。在汽车市场上，全球各国政府正在对乘用车和轻型卡车实施更严格的油耗标准。例如，在美国，有关公司平均燃油经济性（CAFE）的法规旨在到2025年使乘用车的燃油效率达到54.5 mpg。

对于复合材料而言，轻量化解决方案可以使用三种不同的方法成功实施。这些技术可以单独使用或彼此结合使用。

1、每个组件均使用较轻的材料

“轻量化”的最普遍理解的含义即使用较轻的材料即可。但是，由于强度较高，设计工程师通常默认考虑金属和合金材料。下图显示不同汽车材料的强度和密度。

汽车轻量化材料的拉伸强度和密度

不过幸运的是如今材料科学取得了长足的进步，以至于复合材料领域中还有其他可行的选择。因此，可以根据强度、安全性和其他性能要求，为汽车和飞机的每个组件考虑使用不同的重量较轻的材料。

2、使用更少的组件

第二种轻量化技术主要涉及减少车辆的整体零件。由于技术的进步，汽车中电子部件的数量随着时间的推移而增加，例如无线通信、高级驾驶员辅助系统（ADAS）和车辆电气化等，这使得确保电子设备的安全成为当务之急。

因此在上述不可能减少车辆零部件的总体数量的情况下，另外一种重量轻的解决方案就是从材料本身采用较少的零部件。例如，复合材料制成的蜂窝板结构因其高强度已成为轻量化的首选。但是，由于其核心结构由大的开孔网格组成，因此必须将面板包裹在多层粘合剂和蒙皮层中，以防止水和灰尘进入。这些膜还需要足够厚以产生光滑的表面并防止蜂窝图案的转移可见。

而像聚氨酯泡沫这样的材料可以使用不透水的闭孔结构生产，因此不会因浸水而腐烂、翘曲、弯曲或分层。此外，泡沫具有自结皮性能，可自动密封并准备上漆或涂层，从而获得适当的外观和纹理。制造零件所需的制造步骤越少，成本和时间自然而然节省就越大。

3、使用过程中减少消费

有关环境影响和可持续性的担忧通常与燃油经济性相关联。有时需要考虑这样的问题，例如为了制造一辆轻型卡车或直升机，会产生多少废物？使用一些材料（例如木板或蜂窝板），可以通过构建具有适当尺寸板材，然后将其加工成所需的形状来制造结构。但是，这种方法会涉及很多浪费。因此，根据所选择的轻量化材料，使用其他处理技术可能会减少浪费并降低成本。主要方法如下：

定制成型：不是将板材或块加工成零件形状，而是创建定制工具以用轻量化材料成型零件。该技术的优点是细节层次高，无需机械加工即可形成复杂形状，并具有所需的光滑或有纹理的表面。
热成型：此过程涉及模具成型，易于使用，非常适合在较浅的坡度和角度进行成型。通过热成型，可以在几分钟内形成需要大量复杂性的零件。
夹心板叠层：复合材料生产中常用的一种技术，此过程使用标准的真空袋叠层或温度超过275°的热压机。但是，重要的是要注意，某些轻质材料（如聚醚酰亚胺PEI）虽然具有良好的强度特性，但并不完全适合在高温下进行加工。

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