碳纤维及其复合材料在汽车领域的应用
转自新材料产业
  汽车轻量化是汽车产业的核心技术和重要发展方向,已经成为国家制造业的发展战略,《节能与新能源汽车轻量化技术路线图》也将汽车轻量化作为发展战略重点之一。国家多部委也都发布了多项惠及汽车轻量化产业的技术标准、法律法规和研发项目。政府的支持为汽车轻量化发展提供了机遇,有利于提高我国汽车轻量化产业的核心竞争力。碳纤维及其复合材料具有质量轻、强度高、耐腐蚀、安全性好等不可替代的优势,是作为汽车轻量化所使用的最佳材料。正是由于兼具优异性能,碳纤维在汽车领域均有广泛的应用前景,国务院发布的《中国制造2025》中已明确将碳纤维及其复合材料汽车零部件技术作为节能与新能源汽车领域的重要发展方向。
  2 碳纤维及其复合材料
  碳纤维(Carbon Fiber, CF),为含碳量在95%以上的高强度碳材料,它是由石墨微晶等有机物纤维沿纤维轴向堆砌而成,经碳化及石墨化工艺处理而得到的微晶石墨集合体。碳纤维以其优异的比强度、比模量、耐腐蚀、吸能等性能,在航天航空、军工核能、轨道交通、汽车、体育休闲等领域得到广泛的应用。
  碳纤维与高分子树脂、陶瓷、金属等基体材料复合而制成的结构材料简称“碳纤维复合材料”。碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有密度小质量轻、高强度、高断裂韧性、耐化学腐蚀、可设计性强、加工性能好、热膨胀系数小、抗辐射抗老化、减振阻尼性能好等显著优点,既能够满足设计部件高强度、轻量化的设计要求,还能提高汽车的安全性能。目前碳纤维复合材料已成为继高强特种钢、铝合金、镁合金、工程塑料和玻璃纤维复合材料等材料后汽车工业领域最前沿、最具发展潜力的轻量化材料。
  碳纤维复合材料的抗拉强度和拉伸模量受到碳纤维品种、内部结构、用量、铺层使用方式以及树脂种类等多方面因素的综合影响,性能和使用方式不一。碳纤维复合材料与其他轻量化材料的性能对比情况见表1,由表中数据对比可知,碳纤维复合材料在抗拉强度、比强度、拉伸模量,尤其是在比强度和比模量方面比现有使用材料体系料有显著提高,这些是碳纤维复合材料的核心性能优势和价值体现,也是碳纤维在汽车行业得到广泛关注的原因。
  3 碳纤维在汽车上的应用
  随着汽车的发展,车身尺寸不断增大、安全系数不断提高、配置越来越丰富、结构越来越复杂,又要保持合理的车重,选择合适的材料至关重要。可以说,轻量化材料的选择,真正体现了汽车品牌之间的研发核心技术差距。碳纤维复合材料的应用主要是为了能满足足够的汽车刚性性能需求,又实现了汽车的轻量化,碳纤维不但能达到节能减排的全球性需求,也能解决消费者所关心的节能省油问题,因此碳纤维复合材料可以作为汽车的未来主流材料。
  碳纤维的密度接近钢铁材料的1/5,目前车体常规质量在400~500kg,而一个全碳纤维跑车的车体质量不足百公斤。汽车质量每减小10%,可降低6%以上的油耗使续航能力大幅提升,降低5%以上的排放。正因其广泛的应用前景,碳纤维被称为21世纪即将井喷的“黑色黄金”。据研究表明,汽车制造商为了减轻1 kg车重所投入的费用比增加1马力更为高昂。
  碳纤维增强复合材料是很理想的汽车覆盖件用非金属材料。它的高强度可以在保证汽车的防撞性能的同时,大大减轻车身质量。以中国科学院研发的一辆碳纤维汽车为例,在金属材质的汽车引擎盖上,使用榔头用力敲击,漆盖上会有明显的凹陷,而利用碳纤维制作的汽车车壳却非常坚固,用力击打车盖后会迅猛反弹,车身表面无受损痕迹。中国科学院研究人员表示使用碳纤维复合材料做的汽车,与普通用钢材制造的汽车相比,质量轻、速度快、油耗低,质量比普通钢材的汽车减少60%,在同样油耗工况条件下,这辆碳纤维汽车每小时至少多行驶50km。
  宝马汽车是碳纤维应用的尝试者,2009年开始,联合日本三菱丽阳株式会社和西格里集团2家公司,尝试在其i系车型中采用碳纤维复合材料。通过在宝马i系列车型中的成功尝试,证明了碳纤维不仅仅适用于小批量车型,也可以应用于量产车型中。这也证明了通过使用碳纤维复合材料来实现汽车的轻量化设计(用于新能源车尤其是电动车)的潜力非常大。2015年,宝马i3的销售接近24 000台,i8的销售接近5 500台。宝马在i系列碳纤维车身及零部件积累的经验,成功转移到了宝马其他的车型中。在2015年欧洲车身会议上展出的全新宝马7系中,在B柱、车顶纵梁/前横梁、门槛梁、中央通道及C柱采用了碳纤维与高强钢结合的方式,提高了车身的扭转刚度,并降低了车身的质量。2016年,宝马7系实现了6.4万台的销售量,长期的销售目标有望达到10万台。
  在新能源汽车领域,碳纤维是新能源汽车“瘦身革命”的领导者,在汽车轻量化方面发挥着关键作用的同时,提高了新能源汽车的续航里程。碳纤维复合材料也得到了大量使用[2]。2018年12月15日,在2018 NIO Day现场,蔚来汽车正式发布了其第2款量产新能源车型蔚来ES6。全面的高性能表现成为ES6最大的亮点:综合工况续航里程510km,百公里加速4.7 s,百公里制动距离33.9m,整车抗扭刚度高达4 930N·m/deg,这一切比肩赛车的优良性能离不开其碳纤维复合材料的车身结构。
  经过NIO全球测试证明,碳纤维后地板的使用让车身整体的扭转刚度更高,被动安全性能提高,整体耐久性也得到很大提升。遵循“合适的材料用到合适位置”的设计选择,碳纤维后地板嵌入到全铝车身中,比铝合金减重30%以上,与相同体积的高强度钢相比,质量仅是它的1/5。
  国内碳纤维制造企业康得集团与康得新集团联合打造的碳纤维轻量化产业平台已经与近60家汽车主机厂展开交流与合作,为客户提供了从设计、研发、试制到批产的碳纤维轻量化整体解决方案。已完成了多个车型的引擎盖、翼子板、行李箱盖、车门等车身覆盖件;顶盖、上边梁、侧边梁、中通道、车身、座椅、电池箱、底盘等车身结构件的汽车碳纤维复合材料轻量化项目。项目涉及燃油汽车轻量化部件替代、新能源汽车(包括锂电池车和氢燃料汽车)的整车轻量化解决方案。
  北京长城华冠旗下的新能源汽车品牌前途汽车,与美国电动车制造商、分销商Mullen Tech公司签订协议,计划在美国加州投产电动跑车——前途K50。前途K50电动跑车采用全铝合金车身设计并使用碳纤维复合材料,大大提高了汽车的整体性能。
  碳纤维增强复合材料由于其良好的轻量化优势,还广泛应用于汽车轮毂、制动系统、传动系统、内外饰、发动机领域中。
  3.1 碳纤维轮毂
  采取碳纤维材料制作的轮毂,能够大大减少轮毂的质量,从而有助于减少转动惯量。由于簧下质量每减少1kg,轻量化效果约等于簧上质量减少6kg,所以碳纤维轮毂会显著地改善车辆的操控性能。同时,碳纤维材质坚固、韧性好,碳纤维轮毂有利于转向的反应和路感的传递,从而使车辆拥有更快的启动、停止以及转向速度。
  3.2 制动系统
  碳纤维复合材料在制动系统和传动系统中同样有着广泛的应用。碳纤维制动盘具有出色的耐高温性,可承受2500℃的温度,并且还能保证性能的稳定,保时捷918 spider采取了碳纤维制动盘,可以在50m内将汽车车速从300km/h降低到50km/h;碳纤维制作的传动轴不仅可以减轻40%以上的质量,还具有非常好的耐久性,丰田86的碳纤维传动轴仅重5.53kg,和主流的钢制传动轴相比,减重50%。
  3.3 汽车进气系统、发动机领域
  碳纤维复合材料作为汽车进气系统材料,一方面可减轻其质量,达到轻量化的效果;另一方面,碳纤维材料加工性能好,易加工成各种曲面的复杂形状,且材料表面较为光滑,可有效提高汽车进气效率。而碳纤维良好的高温性能使其在发动机领域得以应用,碳纤维复合材料可承受2 500℃的高温,且性能稳定。
  3.4 汽车内饰、门窗等领域
  碳纤维复合材料具有很好的吸力减震效果,对撞击等有强大的缓冲作用,且减少撞击可能产生的碎片,提高了汽车的整体安全性能。利用碳纤维制作汽车内外饰材料,在汽车轻量化的同时,还简化了汽车零部件的生产制造工艺,进而减少零部件在加工、装配、维修过程中产生的成本,进而降低汽车生产成本和消费者使用费用。
  4 结语
  近几年,我国在高性能碳纤维及其复合材料领域取得了一定的进展和突破,在关键技术、装备及应用等方面也有大幅的提高,但和国外依然有很大的差距。目前全球碳纤维制造的主导者是美国、日本和德国。与国外的碳纤维产业相比,国产原丝杂质含量高、生产的碳纤维质量不够稳定、离散系数大,生产成本还需进一步降低,碳纤维研发、生产与应用脱节严重,针对碳纤维市场的应用技术开发滞后,产业凝聚力弱等。目前国内碳纤维企业生产的产品虽然在航空航天、体育休闲和其他工业产业3大领域中都有一定应用,但高端应用领域占比仅4%,高端碳纤维产品严重依赖进口。碳纤维在汽车领域的应用也有很大的差距。
  应用在汽车领域的材料产业规律是:当一种汽车材料垄断地位已经形成,后来者就很难完全颠覆和取代,只有等待下一次汽车产业革命浪潮。如今,随着新能源汽车时代的加速到来,一个全新的、充满想象空间的汽车用材料市场机会正在不断开启。以碳纤维复合材料为首的汽车轻量化材料正迎来一个前所未有的机遇和历史黄金期。
  我国碳纤维需要潜心钻研,实现技术突破,形成体系化、系列化的碳纤维产业链发展模式,尽快打破国外的技术垄断。这需要国家、省和地方政府共同援手,给予相关碳纤维企业相应的配套扶持资金,为碳纤维产业发展提供更具有针对性的财政、人才、税收等保障服务,培养出一批碳纤维生产制造和应用的龙头企业。

我们对话#心灵奇旅#导演Pete Docter&Kemp Powers,和制片人Dana Murray,谈到如何打造这部影片:故事灵感来自哪里,为何想问“灵魂”问题?片中角色、城市的设定,如何展现黑人爵士乐手形象、灵魂们的样子(顾问Jerrys=衣架[并不简单])、纽约城的生活?皮克斯的创意和灵感来自哪?等等:

·《心灵奇旅》的故事有一个最初的灵感来源吗?

导演Docter:最早的灵感就是来自我的儿子,他现在23岁了,有个问题我想了23年,那就是:他的性格是从哪来的呢?因为好像在他刚出生的时候,就已经表现出对一些事物的喜欢和厌恶了。我就想:在他出生以前,一定是有个地方赋予了他各种个性。因此我们有了“the Great Before”的创意,这就是故事的灵感起源。接下来我们更深入地发展故事,刻画出主角Joe的形象,这个过程可能是由几千次小的决定组成的,如果全讲出来会很枯燥的,哈哈。

·这部动画电影涉及生前和死后的世界,如何做到能被全年龄观众接受?向小孩子解释人死后会去哪里,是否会是一件不太容易的事情?

导演Docter:我们会尽量为孩子们做得更加可视化。的确,如果你用语言来解释这些的话会很抽象难懂,但如果你画出来,这有个人,他想做什么,就会显得好理解得多。如何能用可视化语言讲清楚一切是我们这次下了很多功夫的地方。

制片人Murray:如导演所说,这个故事源于非常个人的感受,然后我们慢慢把故事发展成型,不停写、不停修改,关于这点我们做过7次放映,每次都要确认对于儿童观众是否足够清晰和可视化。我们也做过很多儿童专场,请不同年龄的孩子来看,发放调查问卷,发现孩子们真的可以理解这个故事,五岁以上的孩子还会帮父母解释故事里发生了什么。我们不会低估孩子,他们真的很聪明。

·在皮克斯的《寻梦环游记》里,也涉及到人的生死问题。如何看待两个故事关注视角的不同?

导演Powers:在《心灵奇旅》这个故事里,我们更着重讲述人出生前从哪来,而相对避免讲去世后会去哪的问题,因为不同文化、不同宗教信仰的人对这个问题有着不同认知。很好的一点是,很少有人讨论过人出生前是从哪来的,这给了我们很大的探索空间,关于命运,关于人的本性,而且这是一个全球适用的话题。我们这部电影更多是关于领悟生命的。

·这是皮克斯动画第一次以一位黑人为主角,如何做出这个决定的?

制片人Murray:最初我们设定主角Joe是一位爵士乐手,而经过我们对爵士乐的调查,在美国文化里是黑人们创造了爵士乐。所以我们第一个就邀请了Kemp Powers加入我们的电影,参与故事策划、角色建立,我们的主创团队和皮克斯内部也有很多黑人工作人员。此外,我们还外聘了一些音乐顾问、文化顾问,他们都对电影起到很大帮助。我们格外注意了对片中每个肤色的角色都要有准确立体的呈现。

主角Joe的形象受到黑人钢琴家Jon Batiste(担任本片配乐)一些启发,Jon Batiste有着修长的身材和长长的手指,我们从他身上提取了一些特征。

·片中很多历史名人的灵魂都做过22的导师,有科学家阿基米德、总统林肯、拳王阿里、修女特瑞莎等等,是一个很有趣的桥段,这些名人是怎么选择的?

导演Docter:哈哈哈。我们首先希望这些名人是很容易辨认出来的,因为这个段落需要有一些幽默元素,同时我们也注意到不能都选择白人男性,要平衡不同文化、不同性别。22在那个世界里待了很长很长时间,所以经历过无数导师的引导。

·电影中的纽约城生机勃勃,这是电影取景最多的城市之一,为何选择纽约?如何描绘出这座城市的感觉?

导演Docter:我们一决定做爵士乐,就选择了纽约,尽管爵士乐不是起源自纽约,但纽约是美国的爵士乐之都,很多最有名的音乐家以在纽约的表演而闻名。它是一个文化中心,受各国移民和文化的影响,对于拍电影来说是一个充满活力的地方。

我们去纽约实地考察了,在街头漫步,听着音乐,去各种地方。我记得在我们还没具体定下来把故事背景放在哪里的时候,我们就去过了。我意思是我们圈定了纽约,但是城中还是城郊,具体放在那里,还没想好。因为片中需要几个区域,我们需要考虑它应该在曼哈顿还是皇后区还是什么,这需要去实地考察。

联合导演Powers:选择纽约不仅仅是因为音乐,还有这个世界的活力。《心灵奇旅》是一个探讨生命意义、人与人之间关系的故事。在纽约,人们真正地彼此碰撞,每条街上都能看到很多多样性,真的没有别的地方像它一样。

·导演本人最喜欢的一个场景是?

导演Docter:嗯……我自己还是最喜欢the Great Before,可能部分原因是它太难做了……它给人的感觉是非常舒服、非常亲切的,很有趣。

·是的,里面的角色设计都很抽象很特别,那些软萌的小灵魂,还有那些二维线条的、透明的顾问们。您是如何想到这种画风的?

导演Docter:新灵魂是刚刚诞生的,所以肯定是最小的。他们被设计得像婴儿一样,有比导师少很多的辨识特征,因为他们还没经历过地球生命体,所以就是一个类似灯泡的形状,没有胳膊和腿。所有灵魂都有点半透明,暗示他们空灵的、飘逸的、超然的特质,虽然看起来设计简单,但在表面、照明效果上却要做得很精细。

顾问的形象最初我们考虑的是需要跟那些灵魂的风格相协调,小灵魂们都是没有秩序的,需要有人来引导他们。我们想的是一定不能让他们看起来像人类,因为那样会跟人类搞混,他们是一种理论上的存在,但不是神也不是天使,要有自己的视觉语言。于是我们就开始绘制这种二维的线条,然后我们有人拿了一个衣架来,把它扭曲折叠,把二维的线条变成了三维影像,这个想法很酷。

·您在皮克斯工作很多年了,参与过很多经典动画电影,是什么能让皮克斯源源不断产生创意和灵感?

导演Docter:我认为这个问题的答案分为两部分,一部分是皮克斯的人有看待世界的独特方式,最有挑战的事情就是,如何把大家都熟悉的东西用很特别的视角表达出来,反正对我而言最成功的就是,让人看完有一种“我怎么从来没想到这个角度”的感觉。就好像《玩具总动员》系列,每个人都知道人玩玩具,但从来没有人想过从玩具的视角来看人和玩具的关系,视角很重要。

另一方面是,皮克斯人保持着一种工作方式就是,允许进行大量的尝试。我们不怕犯错,敢于推翻重来,不停尝试新的方法。如果我们总是一开始就成功了,那我们很可能最后就回到了我们已知的领域,就不会进行创新了。这是我的观点。

·《心灵奇旅》在美国会跳过院线直接在流媒体上线,是否会觉得有点遗憾?

制片人Murray:是的。但是好在各个国家都有Disney+,这部电影在圣诞节会在上线。即便电影在6月、11月、12月上映,观众也很难去电影院看,所以我们很感激有Disney+这个平台。

·怎么看这场疫情对未来电影产业的深远影响?

制片人Murray:首先肯定对院线有很大的损伤,现在已经有很多电影院关门了。希望一旦疫情好转,电影院能重新营业。我不认为人们会远离电影,因为大家需要一起去电影院看电影,交流他们的经历,所以只要疫情好转就会恢复到以前的样子。

导演Docter:对我来说,疫情让我开始适应相互“孤立”的工作方式。以前我们的很多创意工作都是大家肩并肩坐在一个屋子里,一起绘制,互相鼓舞,但现在我们各自自己工作了一年的时间。我觉得这是一个好问题,就是我们的工作本质是不是会发生改变,我也不知道答案。

来自@何小沁

杭州十四五规划建议出炉,房友们关注以下信息:

1、着力建设国家中心城市(当前全国有九个国家中心城市,大杭杭有希望晋级,努力吧)。

2、加快构建“一核九星、双网融合、三江绿楔”的新型特大城市空间格局(特大城市,指城区人口500万以上,杭州加把劲就达标了)。

3、大力推进“产城融合、职住平衡、生态宜居、交通便利”的郊区新城建设,加快城市优质资源向郊区新城拓展,引导城市核心区过度密集区块人口向郊区新城疏散、城市新流入人口向郊区新城集聚,有效遏制城市单体规模无序蔓延,形成“众星拱月”的组团式发展形态(郊区新城加速发展,11月大大的一篇文章提出大力发展融住平衡的郊区新城也)。

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