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1 汽车为什么要减重？ 在了解源自军事领域的轻量化材料之前，我们先要知道轻量化的好处。如今的汽车尺寸越做越大，同时各种配置也越发丰富，这些都会增加汽车的整备质量，重量增加了自然会影响到动力、操控以及制动性能，同时油耗表现也会非常“感人”。 反之，在动力等客观性能不变的情况下降低车重，就可以得到更好的加速、制动以及油耗表现，同时操控能力也会更为出色。可以说，轻量化实际上也是一种提升车辆性能的改装途径，毕竟“江湖”也流传着“一轻治百病”的原则。 此外，轻量化对提高车辆的安全性也至关重要。在遇到碰撞事故时，整备质量越轻就意味着动能越小，撞击所产生的能量也相对更低。因此在同等强度下，更轻的车身理论上损伤程度也会降低，同时也能减少对其它车辆产生的伤害。 2 汽车减重等于简配吗？ 首先需要明确的是，面对激烈的市场竞争和安全、环保法规要求，要实现汽车减重并非易事。工程师不能为了偷轻就减少结构用料，因为这样会导致车辆强度降低；工程师也不能去掉功能配置组件，因为那样汽车就失去了竞争优势；当然工程师也不能把车造的太小，因为“加长”才能迎合主流市场需求。 那么问题来了，在这些条条框框的制约下如何实现轻量化呢？我们需要从优化结构和轻量化材料两个方向入手解决。 通过优化车身结构，可以在保证强度的前提下提高材料的利用率，减少不必要的材料堆砌。随着计算机技术的发展，工程师可以通过模拟软件“轻松”获取这些数据，从而设计出最优化的结构。 通过优化结构来实现减重毕竟效果有限，因此工程师还绞尽脑汁去寻找更多新型材料来帮助减重，这就是我们常说的轻量化材料。从早期的木质结构，到后来出现的钢材，再到今天逐渐普及的复合材料等等，制造汽车的材料都在朝着更轻更坚固的方向发展。不过在这一切的背后，少不了军事装备发展的贡献。 03 只为飞的更高更快 轻量化材料与军用飞机的不解之缘 与不计成本的军用飞机研发不同，汽车是一种盈利商品，因此不可能无限度的采用昂贵的材料打造。所以当一种合适的材料大规模量产之前，就需要军用技术来“试水”。与汽车的轻量化趋势一样，军用飞机对于整备质量也十分敏感。 在20世纪30年代，金属结构的军用飞机开始逐渐成为主流，而同时期的汽车还以木质结构为主。与木质结构相比，金属结构拥有更出色的刚性和加工性能，可以帮助飞机承受更大的压力。 20世纪50年代之后，军用飞机开始跨入超音速时代。在超音速飞行状态下，由于气动摩擦等原因会导致机体温度升高，传统钢材会因此产生强度降低和形变，因此钢材结构已经无法满足当时飞机性能要求。在这样的背景下，强度更高且重量更轻的合金材料开始得到应用，例如合成金属以及复合材料等等。 随着合金材料和新工艺的成熟，汽车厂商也开始尝试原本仅应用在航空领域的合金材质。例如铝合金就是一种成功引入民用汽车制造的新材料，“全铝车身”作为一种宣传手段，开始被公众所熟知。 新材料和新工艺实际上是相辅相成的关系，随着彼此的发展而不断进步改进。不可否认，包括铝合金在内的许多新型材料逐渐商用化，民用汽车在轻量化的道路上越走越顺。当然，技术的进步肯定不会到此为止。 04 汽车材料的未来可能是“塑料” 与传统的钢材料相比，铝合金拥有更低的密度，因此重量较低。但是由于其强度相对较低，因此不可能完全取代传统钢材，其目前在量产车型上仅应用于结构部件，而主要受力的关键区域则依旧采用高强度钢材。此外，由于铝合金的成本很高，且加工难度较大，因此依旧不能成为汽车主流制造材料。 05 汽车材料的未来 很可能是“塑料” 无论是传统钢材还是合成金属，在军事和汽车领域都已经有了广泛应用。但是问题又来了，这些金属的重量依旧不够轻盈，并且制造成本也算不上低廉。从目前的技术方向看，非金属复合材料似乎才是最佳选择。 当然，我们常见的塑料制品强度显然不适用于工业产品，而非金属复合材料的种类实在太多，由于篇（zhi）幅（shi）有限，在此就不过多展开了。与合成金属一样，非金属复合材料的“助推剂”同样是军用飞机研发领域，从20世纪70年代开始，非金属复合材料开始在军用飞机上大规模使用，并逐渐发展成熟。 我们比较熟悉的碳纤维也属于非金属复合材料，其拥有质量轻、强度高并且耐高温等特点，因此拥有十分广泛的工业应用前景。 在许多赛车和高性能车上也能见到碳纤维的应用，不过由于现阶段碳纤维的造价比较高，并且塑性加工性能没有金属那么灵活，因此在汽车领域的应用范围还比较有限。 不过随着复合材料的研发，包括碳纤维在内的非金属复合材料的大规模商业量产只是时间问题。在2018年3月举办的复合材料行业专业展览会上，我们就看到了许多创新成果。相信有一天，当非金属复合材料在各方面性能达到或超越传统金属材料时，我们的汽车产品会真的变成一款不折不扣的“塑料”制品。 全文总结各种公开数据显示，非金属复合材料在整车制造领域的占比正在逐年增加，反之传统钢材的利用正在逐渐减少。此外，随着新能源车型的普及，安置沉重的电池组也需要车体结构本身拥有更好的轻量化性能。因此在各方面的“压力”下，我相信汽车轻量化的道路会越走越远，并催生出更多质量轻盈、低成本且高强度的新型材料。 |
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