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F1卷起汽车轻量化“飓风” 纤维增强复合材料技术工艺迎高光时刻

时间:2024-06-20        来源:

五盏红灯熄灭,引擎声震耳欲聋。4月21日,F1中国大奖赛在沪落幕,10支车队在56圈的激烈角逐中上演“速度与激情”。最终,红牛车队荷兰车手维斯塔潘以1小时40分52秒554的成绩夺冠。

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F1中国大奖赛比赛现场

F1卷起汽车轻量化“飓风” 

F1的火热,不仅让车手与车队收获大量关注,从F1赛车车身上的碳纤维材料、到高性能复合材料轮胎,赛场上的极致速度呈现,也让汽车轻量化材料再次迎来高光时刻。

F1赛车作为民用车新技术的“试验田”,其许多尖端科技,也深刻影响着家用汽车设计,轻量化也不例外。从底盘、车身、发动机到新能源车三电系统,无论是赛车、超跑、还是民用汽车领域,复合材料因其轻质高强等一系列优异性能,已成为汽车轻量化发展的主要选材。

  • 比亚迪仰望U9采用“超级碳舱”碳纤维安全车身架构,显著提升车辆的性能。

  • 广汽埃安昊铂SSR采用了100%碳纤维全覆盖车身,并在方向盘、前内饰板等部位也大量使用了碳纤维材料,充分发挥了复合材料在提升汽车性能方面的优势。

  • 奥迪A8配备的两个电动可调节的独立后排座椅,其外壳使用了复合成型工艺制造, 与钢板相比,重量减轻45%。

  • 大众阿特拉斯和途昂SUV的前端模块使用了连续纤维增强热塑性复合材料嵌件,比用钢板制成的嵌件约轻50%,还可承受更高的应力。

  • 保时捷911敞篷版中使用的轻质A柱、梅赛德斯—奔驰GLE SUV的前端支撑中的两个焊接复合半壳。

  • 长安福特车门基板、保时捷帕拉梅拉与宾利欧陆GT的全塑料刹车踏板等都使用了复合材料。

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常见汽车用纤维增强复合材料 

01

汽车用碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)

碳纤维复合材料具有更高的轻量化效果、高结构承载能力、抗冲击吸收能力,可以实现大型部件整体成型等优势。密度约为1.6g/cm3,不足钢材密度的1/4,同时拥有优异的力学性能、环境耐候性、尺寸稳定性、可设计性、高吸能效率及减震性,在碰撞中的能量吸收能力是钢或铝的4-5倍,用于车身结构部件具有良好的碰撞安全性。在汽车上运用最多的地方就是车身,诸如引擎盖、车架、车顶框架及加强筋、A/B/C/D立柱及车门、扰流板、顶板、翼子板等。

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碳纤维汽车电池保护箱  

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 丰田“GR 雅力士”车顶


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汽车用玻璃纤维增强热塑性复合材料(GFRP)

玻璃纤维增强复合材料,是由玻璃纤维和树脂组成的复合材料,基体材料通常选择热固性树脂(环氧树脂、聚氨酯),热塑性树脂(PP、PA、PET、PBT)。具有优异的强度、弯曲性、抗冲击性、耐热性和尺寸稳定性等特点。GFRP的相对密度通常在1.5~2.0 g/cm3,只有碳钢的1/4~1/5,低于铝材的2.7 g/cm3,但其拉伸强度却接近甚至超过碳素钢。

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GFRP复合材料板簧

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汽车用玄武岩纤维增强热塑性复合材料(BFRP)

玄武岩纤维具备强度高、耐高低温、耐久性好、耐腐蚀、不吸水、介电性能好、可防辐射、良好的透波和吸波性能、性价比适中的特点,常用于增强热塑性复合材料。BFRP密度在2.1g/cm3左右,与铝合金产品相比,玄武岩纤维复合材料新能源汽车电池壳体,可实现减重30%~50%,且耐腐蚀、隔热防火。玄武岩纤维复合材料汽车板簧产品在达到相同使用性能的同时,可较传统金属板簧减重50%-70%,疲劳寿命是金属板簧的5倍。

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玄武岩纤维复合材料电池箱 

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玄武岩纤维复合材料汽车板簧

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汽车用天然纤维增强复合材料(NFRP)

天然纤维增强复合材料一般使用聚酯或聚丙烯为基体树脂,使用木纤维、麻纤维和其它天然纤维(秸秆、竹子、甘蔗、椰壳等)为增强材料。基体树脂价格低廉,纤维原材料来源广泛、价格也都非常低,所以天然纤维复合材料有其它复合材料无法比拟的价格优势。而且,天然纤维复合材料的比强度还高于玻璃纤维复合材料.

采用天然纤维复合材料代替玻璃纤维复合材料制造汽车零部件可以实现5%~15%的轻量化。生产的产品有:轿车的门内板、行李厢、顶棚、座椅背板、衣帽架、仪表盘;以及卡/客车的车厢内衬板、门板、顶棚、座椅背板等。

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宝马集团研发部门与Bcomp合作开发的天然纤维复合材料零部件


武汉先进院纤维增强复合材料技术布局 

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针对汽车轻量化的发展趋势,武汉先进院作为一家专注于新材料研发的新型研发机构,面向市场应用需求,致力于轻量化及功能化复合材料应用技术开发,已在摩擦材料、轻质耐冲击热塑性复合材料、结构功能一体化复合材料等方面开展了广泛的应用研究,掌握核心生产制造技术与应用技术,并积极推动相关技术产业化应用。

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