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汽車材料的可持續(xù)發(fā)展
當前，減少汽車碳排放的要求促使汽車制造對新材料的需求更加迫切。木塑復(fù)合材料具有出色的機械性能、較低的材料密度以及較低的材料成本。木塑復(fù)合材料的適當使用與纖維增強復(fù)合材料和金屬相比，更具競爭力。但是目前行業(yè)尚未形成完整有效的木材材料數(shù)據(jù)和碰撞性能數(shù)據(jù)。格拉茨技術(shù)大學(xué)（Graz University of Technology）和維也納自然資源與生命科學(xué)大學(xué)（University of Natural Resources and Life Sciences Vienna）開展了WoodCar研究計劃，旨在證明木質(zhì)復(fù)合材料在靜態(tài)和碰撞載荷條件下作為輕質(zhì)材料的設(shè)計潛力。
目前，汽車制造業(yè)正在大力尋找新型輕質(zhì)材料，越來越多的使用纖維增強復(fù)合材料，如玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料，也有少部分天然纖維復(fù)合材料。但是，由于這些材料的材料價格和生產(chǎn)成本的增加，限制了其批量化應(yīng)用。而木材具有是具有優(yōu)異機械性能的輕質(zhì)材料（機械性能如圖1），且應(yīng)用成本較低，是汽車輕量化材料應(yīng)用的一個新方向。
使用木材帶來的減碳效應(yīng)
政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在2018年發(fā)布了《全球升溫1.5℃特別報告》。報告指出，要將全球變暖限制在1.5°C需要土地的“快速而深遠的”轉(zhuǎn)變。到2030年，全球人為造成的二氧化碳凈排放量需要比2010年減少45%左右，在2050年左右達到“凈零”。同時，該報告認為，植樹造林和森林管理是緩解氣候變化的關(guān)鍵戰(zhàn)略，這些也是目前唯一可行的碳清除措施。
木材可以通過兩種方式促進溫室氣體的減少和清除：一方面通過使用木制品的存儲效應(yīng)，另一方面通過“后碳”制品中化石材料的替代效應(yīng)。在過去，木材被廣泛用作機械、車輛和飛機行業(yè)的設(shè)計材料。上世紀30到50年代是木材應(yīng)用技術(shù)高速發(fā)展的時期，人們對木材進行了深入的研究，并使用木材制造多類型產(chǎn)品。除了低密度木材（如輕木）、高耐久性木材（如柚木）以外，還有許多類型的木材是機械工程應(yīng)用中的原料，如：云杉、白蠟?zāi)尽迥尽钅尽⑸矫珯文尽髂竞拖鹉镜取?/p>
木質(zhì)車門側(cè)防撞梁的開發(fā)與性能驗證
側(cè)防撞梁安裝在車門上，主要是在發(fā)生側(cè)面碰撞時保護乘員安全。側(cè)面碰撞梁將力分布到相鄰的A和B柱上，從而減少側(cè)面碰撞時的侵入。本研究以一輛重量為2000公斤的專為美國市場設(shè)計的中型SUV為對象，其側(cè)防撞梁由超高強度鋼（UHS）制成，矩形截面封閉式結(jié)構(gòu)，單根重1.18 kg（不包括連接器）。以此為原型，開發(fā)了木質(zhì)側(cè)防撞梁。
選擇了兩種載荷工況來對木基側(cè)撞梁進行基準測試：FMVSS 214s和US-NCAP試驗。此外，研究團隊還開發(fā)了一個側(cè)防撞梁試驗臺，如圖2。在該試驗臺中，側(cè)面防撞梁的末端具有兩個自由度，即軸向平移以及圍繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)。分別通過鋁蜂窩的軸向屈服行為和鋼板的彎曲來約束，從而模擬安裝后的邊界條件。
在測試時，從主機廠現(xiàn)有車型中選取了家用車A和家用車B作為參考對比項，對比參數(shù)選擇為：沖擊器重量、彎曲板的厚度和蜂窩材料的能量吸收。按US-NCAP標準進行測試。
木質(zhì)側(cè)防撞梁由樺木貼面層、粘膠纖維層和蜂窩紙板組成的三明治結(jié)構(gòu)，從而提供較高的初始剛度和彎曲剛度。試驗時，在沖擊器行程達到約50 mm時，蜂窩材料開始彎曲。彎曲的側(cè)防撞梁逐漸轉(zhuǎn)換為“拉索”，傳遞軸向載荷。木質(zhì)防撞梁顯示出較高的抗張強度，但脆性不佳，粘膠織物層需要防止因材料的脆性破壞導(dǎo)致整個梁的破裂。對木質(zhì)側(cè)防撞梁進行了準靜態(tài)和動態(tài)測試，結(jié)果表明，木質(zhì)防撞梁能夠吸收與高強鋼防撞梁（1845與1884 J）幾乎相同的動能，如圖3。同時創(chuàng)建了仿真模型，仿真結(jié)果與測試結(jié)果的力-位移曲線匹配度較高，具體如圖4。
上述測試展示了木質(zhì)防撞梁承受側(cè)面碰撞載荷的情況，結(jié)果表明，開發(fā)的木質(zhì)防撞梁可發(fā)生嚴重變形而不發(fā)生斷裂，其碎片不會對乘員造成危險，從而獲得了測試后期較高的拉伸強度。目前，下一步的研究工作將集中于提升初始剛度、降低生產(chǎn)成本和提高抗?jié)裥苑矫妗?/p>
全生命周期評價
在開發(fā)木質(zhì)側(cè)撞梁的同時，WoodCar項目也進行了生命周期評估（LCA）。考慮的主要影響因素是全球變暖潛能值（GWP）和累積能源需求（CED），使用SimaPro和ECOInvent兩個數(shù)據(jù)庫。在LCA中，假設(shè)車輛的重量為2000 kg，壽命為150,000 km，并使用內(nèi)燃機。LCA將生產(chǎn)階段、使用階段和報廢階段之間分開，相關(guān)結(jié)果表明，GWP和CED的比例在使用階段最高。因此，在汽車制造業(yè)中，“天然”材料在重量和生態(tài)方面都具有較大的潛在優(yōu)勢。
結(jié)論
綜上，WoodCar通過木質(zhì)側(cè)防撞梁的開發(fā)和性能測試表明，木質(zhì)復(fù)合材料在亨受靜態(tài)和動態(tài)載荷時，具有與傳統(tǒng)材料相當?shù)奈苄裕屹|(zhì)量更輕。同時，對木質(zhì)部件的碰撞性能模擬精準度較高。木材作為設(shè)計材料可有助于實現(xiàn)節(jié)能減排的生態(tài)目標。此外，作為輕質(zhì)設(shè)計材料，木材還可以通過調(diào)整成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在使用階段進一步減少碳排放。
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