复合材料实现轻量化的三种途径

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。

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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。

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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。

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使用过程中减少浪费

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。（来源：碳纤维及其复合材料技术）

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