复合材料VS传统钢材，谁更胜一筹？

欧洲足球赛事 注：复合材料与传统钢材的较量似乎从未停止，同时占据轻质和刚度的复合材料，会不会成功取代钢材？这个结果还待计算机模拟和具体使用进行实际验证。

多年来，汽车制造商们对具有钢强度但轻质的汽车渴望已久，因为笨重的车身意味着较低的燃料效率。新型复合材料可能就是解决方案，但在投入市场之前，还需要经过多年的测试。

印第安纳州普渡大学的工程师们说他们可以将测试所需时间减半。利用最前沿的计算机模拟技术，普渡的工程师们对可用于替代金属相应部件的轻质碳纤维复合材料汽车配件，进行性能测试。他们甚至可以模拟这些部件在发生车祸时的性能变化。

普渡大学是先进复合材料制造创新研究会的五个成员之一，这个研究会是联邦花费2.5亿建立的研究组织，旨在提高美国在先进滚球体育 中的竞争力。在其他大学致力于开发材料和产品的同时，普渡则专注于设计和模拟。

通过节约公司大量的原型构筑和测试时间，模拟过程能够更快地将新型设计投入生产制造。对于汽车制造商来说，安全是首要考虑因素，而新材料的测试是一个漫长的过程，并且是一笔很大的开支。模拟能够取代大多数的测试，并且节约一半的花销和测试用时。

由Byron Pipes教授带领的工程师和研究生们利用复合材料的相关数据建立模型，从而揭示它们的用途、使用方向以及制造工艺。他们的任务是将对美国汽车工业的好想法尽可能地付诸实践，这些研究与开发每年的花费可达180亿。

福特的目标研究方向

普度的研究具有一个决定性的优势。Pipes说，他们与福特和大众有大学项目合作，并且正在与本田和丰田商讨签署其他项目协议。一起共事的有5名全职工程师，少量教职人员以及30名研究生。

在五年计划的18个月里，普渡的研究者们和同样在研究所工作的公司代表们进行定期的交流，然后构建了弥补设计问题的计算模型。

在校园实验室里，他们小批量地进行产品的制作和测试。如果制造商们需要一个复合材料制作的零部件，Pipes说：“我们可以为你单独设计模型，设计制造工艺，然后在实验室中测试它是否满足你的性能需求，然后你可以在几天之内将它实现产业化。”

更轻、更复杂

轻质复合材料达到和钢一样的优异性能完全取决于材料怎么设计。

复合材料由柔韧的高分子材料和刚硬的碳纤维组成。碳纤维水平竖直地和高分子材料交织在一起，然后层叠形成材料。其中一些层由水平带组成，另外一些则由竖直带构成。由于纤维本身的性质与方向有关，通过模拟，工程师们可以测试材料不同的排列方式对应的性能变化，以及用在汽车的什么部位效果最好。

普渡同样也为那些刚踏入美国市场的燃料汽车设计油箱模型。这类汽车采用氢气代替汽油为燃料来驱动，且产生的废物仅是水。但是在技术上，依旧存在严重的问题，其中一个就是燃料的存储。

在保持轻质的前提下，碳纤维复合材料可以增强油箱的强度，但是生产它们能耗较大。普渡正在测试利用较为廉价的高分子和先进的热处理技术来提高生产效率和降低成本。

新一代风车测试

普渡的研究并不仅仅局限于汽车行业。工程师们同样也在提高风能的利用率上贡献才智，预计到2030年风能将在美国提供20%的电力供给。

风车的涡轮叶片越长，它能捕获的风就越多，产生的能量就越多。因此制造的叶片越来越长，而为了减轻叶片重量，通常会加大玻璃纤维含量。目前一些叶片可以长达75到100英尺。然而，长度的增加会导致叶片向后弯曲，从而降低效率，并且增大工作时撞击到塔架的风险。普渡正在做的一项模拟就是利用碳纤维来替代部分叶片中的玻璃纤维，因为碳纤维质地比较硬，所以能够减小叶片弯曲的程度。

普渡大学材料化学学院复合材料加工专家Jan-Anders E. Månson说：“玻璃纤维成本低，但较重并且机械性能也远不如碳纤维。因而我们在寻求一种较好的权衡方式”。

研究者们同样也在建模设计具有创意的循环方式，当叶片达到使用周期后，对它们进行回收，然后利用包含的热塑性塑料制成甲板、公园长凳或者减震器。

普渡的工作对于能量效率来说是至关重要的，但同样也为未来信息化驱动的工厂指明了发展方向。在这种工厂里，零部件在集装之前，一般都要经过严格的测试。

Pipes说：“虚拟工厂是现在我们讨论的一个目标，意思是我们可以通过物理和科学来指导模拟，不用实际去做，就可以生产零件。”

原文链接：A Race To Replace: How Swapping Steel For Composites Will Make Cars More Efficient

本文由编辑部龙骑士供稿，赵飞龙翻译，时冰遥审核，点我加入材料人编辑部

材料测试，数据分析，上测试谷！