看新材料如何助力轻量化造车

  说起汽车轻量化,从材料、成本到安全性等话题很多,而材料的轻量化之路一直走得不易。日前,有外国媒体报道,日本京都大学与多家零部件供应商正着手研发一款轻量化原型车,据说这款车将采用从木材中提取的某种神秘材质作为主体材料,这种材料不仅比重仅为钢材的20%,抗拉强度更是钢材的500%,轻量化和高强度双双爆棚。这究竟是一种什么样的材料呢?让我们一起来了解了解。

  神秘材料哪里来?

  从木材中能提取出什么神秘材质?根据报道,这种材质准确来说应该是从木浆中提取的。那木浆又是什么?其实,木浆本身没有什么特别之处,就是以木材为原料制成的纸浆,这东西除了造纸外还可以造很多东西,比如女性朋友常用的洗脸扑。木浆是木材被切碎研磨加入一些添加剂后的产物,而这种制造轻量化汽车的新材质则是将木浆再进一步“切碎研磨”的产物。确切说是一种尺寸大约为头发丝两万分之一的超细纤维,科学家把它称为CNF,即纤维素纳米纤维。

  我们都知道,木浆造出来的纸并没有什么韧性,往往一撕就碎了,但将这些超细木质纤维聚合在一起后就完全不一样了,这和“一只筷子和一把筷子的故事”有异曲同工之妙,通常来说几个到数十个纤维丝就能组合成纤维素纳米纤维。

  那么问题来了,在这个什么都能试着人工合成的年代,为什么一定要大费周章从木头中提取这种材质呢?

  专家指出,主要是因为根据目前掌握的技术,想要达到与该木质纤维同等的性质(宽度约4nm 、结晶度70%),人工合成几乎是不可能的。索性从取材广泛的木头中提取,也为这种新材质的问世提供了更多可能。

  纤维素纳米纤维不仅仅是轻

  说起汽车轻量化所使用的材料,目前较为流行且已经在使用的是CFRP(即碳纤维复合材料),那为什么还要研究纤维素纳米纤维呢?

  关于碳纤维复合材料的神奇已经不用多说,作为F1赛车的指定材质,自然强度和轻量化是杠杠的。在民用车领域,以宝马为例的一些车企也在努力探索此材料的使用,此前宝马i3在IIHS测试中也证明了将碳纤维复合材料使用在民用车上,也能较好地保护驾驶者。然而,纤维素纳米纤维必然有其独特之处。

  据了解,碳纤维复合材料虽然好,但韧性不大,说白了就是比较脆。而纤维素纳米纤维相比它则能更好折弯,有一定韧性。这样一来,这种新材料更适合用来制造一些复杂的部件,比如像保险杠、内饰、轮胎等树脂和橡胶部件。同时,纤维素纳米纤维的强度也很高,如果用于制作保险杠,还能够避免传统塑料保险杠不耐撞的问题。

  同时,由于透明度的原因,纤维素纳米纤维的使用范围相比碳纤维增强塑料还更为广泛。我们都知道碳纤维增强塑料是一种黑色的材质,甚至都不用给它上漆就可以直接做外饰件,这看似完美,但也制约了它的使用范围。比如它就不能作为透明材料使用,对于像汽车玻璃的轻量化就无能为力了。而这点上纤维素纳米纤维可谓优势巨大,将其加工成膜状后,它就会变成类似“塑料薄膜”的状态,不仅能像纸一样弯折,而且还结实、透明度高,用在玻璃上也很合适。

  此外,从环境友好角度来看,碳纤维复合材料的回收处理一直很让人头疼。由于碳纤维增强塑料不可降解,因此将其磨成粉末,送到垃圾场填埋或焚烧统统是行不通的。早在2010年,日本三菱人造丝公司就曾估计过,世界上废弃的碳纤维增强塑料大约高达2万吨,而近几年对汽车轻量化的要求也越发严格,这数据只怕是已经成倍增长了。不过让人惊喜的是,纤维素纳米纤维简直就是环境友好的楷模,因为这种材料源自木头,可以直接通过土壤降解,根本不用担心后续的回收问题。

  高成本仍让厂商头疼

  纤维素纳米纤维的优点自然不用多说,比如环保、韧性好、可混合使用也可独立使用、可制成透明材料等等。业内人士更认为,这种材料将会是CFRP的强有力的补充材料甚至是替代材料。

  业内人士表示,即使是将CNF作为添加剂加强其他材料的强度,也能间接达到轻量化的目的。据悉,早在2012年,王子制纸和京都大学教授矢野浩之等人合作开发出了CNF含量在10%以上的新树脂,按一辆车的树脂使用量来看,能够同比降低约20kg的重量,按车辆每减少100kg,百公里油耗降低0.5升来算,仅在这上面就能降低0.1L/百公里。

  不禁有人要问,既然这个材料这么好,为什么各大厂商不用呢?业内人士指出,目前,高成本的问题还难以解决。由于工艺繁琐,导致其制造成本高达600元/kg,而碳纤维复合材料大约在120元/kg(2016年全球碳纤维复合材料市场报告),而且CNF的研发存在行业壁垒,仅限于这个领域已经深耕多年的造纸行业,普通企业想入手成本会更高。

  但有报道称,日本已经有企业将CNF强化复合材料的制造成本降至近23元/kg,但目前还是处在实验室阶段。业内人士表示,如果CNF的价格真的能降低到如此低的程度,那么车身轻量化一定可以达到很可观的数据,到时候节油节电都不是问题了。

  据传CNF材料将会在2020年东京奥运推广使用,也有报道称该原型车将于2020年面市,大家不妨一同期待。