按照美國(guó)條例規(guī)定，到2025年，汽車的平均燃油經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)必須達(dá)到每加侖54.5英里，比目前每加侖35.5英里提高了近60%。毫無(wú)疑問，減重是汽車制造商們尋求提高汽車燃油效率的眾多方法之一，而碳纖維增強(qiáng)塑料是最有前景的輕量化材料之一。

 

　　雖然比鋼更強(qiáng)、更輕，但碳纖維復(fù)合材料相對(duì)昂貴，因而合理使用材料的要求更加迫切。與金屬相比，碳纖維復(fù)合材料的建模更加復(fù)雜，這是因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料的特性取決于制造過程中的纖維含量、纖維長(zhǎng)度分布以及纖維取向。

 

　　為加速開發(fā)新的經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)碳纖維復(fù)合材料，美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)專家小組一起，開發(fā)一系列的工程工具。這些小組成員包括：汽車制造商豐田汽車公司、一級(jí)零部件供應(yīng)商麥格納公司、長(zhǎng)碳纖維材料和技術(shù)的供應(yīng)商PlastiComp公司、領(lǐng)先的過程建模軟件提供商Autodesk，以及來自大學(xué)的研究合作伙伴——伊利諾伊大學(xué)、普渡大學(xué)和弗吉尼亞理工大學(xué)。

 

　　該團(tuán)隊(duì)得到了美國(guó)能源部車輛技術(shù)輕質(zhì)材料計(jì)劃辦公室的資助，所開發(fā)的軟件工具成功地預(yù)測(cè)了復(fù)雜碳纖維熱塑性塑料部件中的纖維取向和長(zhǎng)度分布。

 

　　復(fù)合材料部件的開發(fā)過程要求汽車制造商制造模具、成型部件并進(jìn)行測(cè)試。這是一個(gè)漫長(zhǎng)而艱苦的過程，不利于新型、更具成本效益的碳纖維復(fù)合材料在汽車行業(yè)的快速發(fā)展。利用由太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證的工程開發(fā)軟件，制造商們將能夠在成型前“看出”所提議的碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特性會(huì)是什么樣的。這些工具將允許制造商和汽車部件的設(shè)計(jì)師們以更快的速度去試驗(yàn)和探索新的思想。

 

　　該團(tuán)隊(duì)采用Autodesk Moldflow軟件，基于最初由Charles Tucker教授與其同事一起開發(fā)的模型，對(duì)成型部件中的纖維取向和纖維長(zhǎng)度分布進(jìn)行預(yù)測(cè)。在豐田、PlastiComp和麥格納的指導(dǎo)下，他們采用PlastiComp的材料，成型出長(zhǎng)碳纖維的復(fù)合材料部件，并提取纖維供普渡大學(xué)和弗吉尼亞理工大學(xué)進(jìn)行測(cè)試。

 

　　然后，太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)仿真軟件預(yù)測(cè)的性能與成型纖維的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證軟件和模型的準(zhǔn)確性。太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，該軟件工具成功地預(yù)測(cè)了纖維長(zhǎng)度分布(準(zhǔn)確率100%)和纖維取向(準(zhǔn)確率88%)。

 

　　此外，作為該項(xiàng)目的一部分，太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與麥格納和豐田一起，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)鋼和玻璃纖維復(fù)合材料，分析了長(zhǎng)碳纖維部件的性能收益和成本。太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，所研究的碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料技術(shù)能夠?qū)④嚿硐到y(tǒng)重量減輕20%。但是，碳纖維部件的生產(chǎn)成本可能比鋼部件高10倍。利用預(yù)測(cè)工具對(duì)工藝和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能夠顯著降低生產(chǎn)成本，為碳纖維在汽車行業(yè)的更廣泛應(yīng)用鋪平道路。