複合材料VS傳統鋼材，誰更勝一籌？

材料牛註：

複合材料與傳統鋼材的較量似乎從未停止，同時佔據輕質和剛度的複合材料，會不會成功取代鋼材？這個結果還待計算機模擬和具體使用進行實際驗證。

多年來，汽車製造商們對具有鋼強度但輕質的汽車渴望已久，因為笨重的車身意味著較低的燃料效率。新型複合材料可能就是解決方案，但在投入市場之前，還需要經過多年的測試。

印第安納州普渡大學的工程師們說他們可以將測試所需時間減半。利用最前沿的計算機模擬技術，普渡的工程師們對可用於替代金屬相應部件的輕質碳纖維複合材料汽車配件，進行性能測試。他們甚至可以模擬這些部件在發生車禍時的性能變化。

普渡大學是先進複合材料製造創新研究會的五個成員之一，這個研究會是聯邦花費2.5億建立的研究組織，旨在提高美國在先進科技中的競爭力。在其他大學致力於開發材料和產品的同時，普渡則專註於設計和模擬。

通過節約公司大量的原型構築和測試時間，模擬過程能夠更快地將新型設計投入生產製造。對於汽車製造商來說，安全是首要考慮因素，而新材料的測試是一個漫長的過程，並且是一筆很大的開支。模擬能夠取代大多數的測試，並且節約一半的花銷和測試用時。

由Byron Pipes教授帶領的工程師和研究生們利用複合材料的相關數據建立模型，從而揭示它們的用途、使用方向以及製造工藝。他們的任務是將對美國汽車工業的好想法儘可能地付諸實踐，這些研究與開發每年的花費可達180億。

福特的目標研究方向

普度的研究具有一個決定性的優勢。Pipes說，他們與福特和大眾有大學項目合作，並且正在與本田和豐田商討簽署其他項目協議。一起共事的有5名全職工程師，少量教職人員以及30名研究生。

在五年計劃的18個月里，普渡的研究者們和同樣在研究所工作的公司代表們進行定期的交流，然後構建了彌補設計問題的計算模型。

在校園實驗室里，他們小批量地進行產品的製作和測試。如果製造商們需要一個複合材料製作的零部件，Pipes說：「我們可以為你單獨設計模型，設計製造工藝，然後在實驗室中測試它是否滿足你的性能需求，然後你可以在幾天之內將它實現產業化。」

更輕、更複雜

輕質複合材料達到和鋼一樣的優異性能完全取決於材料怎麼設計。

複合材料由柔韌的高分子材料和剛硬的碳纖維組成。碳纖維水平豎直地和高分子材料交織在一起，然後層疊形成材料。其中一些層由水平帶組成，另外一些則由豎直帶構成。由於纖維本身的性質與方向有關，通過模擬，工程師們可以測試材料不同的排列方式對應的性能變化，以及用在汽車的什麼部位效果最好。

普渡同樣也為那些剛踏入美國市場的燃料汽車設計油箱模型。這類汽車採用氫氣代替汽油為燃料來驅動，且產生的廢物僅是水。但是在技術上，依舊存在嚴重的問題，其中一個就是燃料的存儲。

在保持輕質的前提下，碳纖維複合材料可以增強油箱的強度，但是生產它們能耗較大。普渡正在測試利用較為廉價的高分子和先進的熱處理技術來提高生產效率和降低成本。

新一代風車測試

普渡的研究並不僅僅局限於汽車行業。工程師們同樣也在提高風能的利用率上貢獻才智，預計到2030年風能將在美國提供20%的電力供給。

風車的渦輪葉片越長，它能捕獲的風就越多，產生的能量就越多。因此製造的葉片越來越長，而為了減輕葉片重量，通常會加大玻璃纖維含量。目前一些葉片可以長達75到100英尺。然而，長度的增加會導致葉片向後彎曲，從而降低效率，並且增大工作時撞擊到塔架的風險。普渡正在做的一項模擬就是利用碳纖維來替代部分葉片中的玻璃纖維，因為碳纖維質地比較硬，所以能夠減小葉片彎曲的程度。

普渡大學材料化學學院複合材料加工專家Jan-Anders E. M?nson說：「玻璃纖維成本低，但較重並且機械性能也遠不如碳纖維。因而我們在尋求一種較好的權衡方式」。

研究者們同樣也在建模設計具有創意的循環方式，當葉片達到使用周期後，對它們進行回收，然後利用包含的熱塑性塑料製成甲板、公園長凳或者減震器。

普渡的工作對於能量效率來說是至關重要的，但同樣也為未來信息化驅動的工廠指明了發展方向。在這種工廠里，零部件在集裝之前，一般都要經過嚴格的測試。

Pipes說：「虛擬工廠是現在我們討論的一個目標，意思是我們可以通過物理和科學來指導模擬，不用實際去做，就可以生產零件。」

原文鏈接：A Race To Replace: How Swapping Steel For Composites Will Make Cars More Efficient（見下方「閱讀原文」）

本文由編輯部龍騎士供稿，趙飛龍翻譯，時冰遙審核，點擊下方「閱讀原文」進入材料牛報名加入編輯部。

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