امروزه یکی از مهمترین مواد پیشرفته در صنعت خودروسازی استفاده از الیاف کربن در خودروسازی است. این ماده که ابتدا در صنایع هوافضا و نظامی کاربرد داشت، از اوایل دهه ۲۰۰۰ بهطور جدی وارد دنیای خودرو شد و اکنون از سوپراسپرتهای چندمیلیون دلاری تا خودروهای برقی لوکس و حتی برخی مدلهای نیمهحرفهای را در بر گرفته است. دلیل اصلی این استقبال، نسبت استثنایی استحکام به وزن الیاف کربن است؛ مادهای که تا ۵ برابر قویتر از فولاد معمولی است، اما وزنی در حدود یکپنجم آن دارد.
ساختار و ویژگیهای الیاف کربن
الیاف کربن از رشتههای بسیار نازک کربن (با قطر ۵ تا ۱۰ میکرون) تشکیل شده که در یک ماتریس رزین اپوکسی یا پلیمری قرار میگیرند. این ساختار جهتدار باعث میشود خواص مکانیکی ماده کاملاً وابسته به جهت قرارگیری الیاف باشد. مدول الاستیسیته الیاف کربن استاندارد بین ۲۰۰ تا ۸۰۰ گیگاپاسکال و استحکام کششی آن بین ۳۵۰۰ تا ۷۰۰۰ مگاپاسکال است؛ عددی که حتی تیتانیوم و آلومینیوم سری ۷xxx را نیز پشت سر میگذارد.
مهمترین ویژگیهای الیاف کربن برای خودروسازی عبارتند از:
- نسبت استحکام به وزن بسیار بالا
- سختی (Stiffness) عالی
- مقاومت خستگی بسیار خوب
- مقاومت حرارتی بالا (تا حدود ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد در الیاف خالص)
- جذب ارتعاش عالی
- مقاومت در برابر خوردگی
تاریخچه ورود به خودروسازی
اولین کاربرد جدی الیاف کربن در خودرو به سال ۱۹۸۱ و مکلارن MP4/1 فرمول یک برمیگردد که جان بارنارد برای اولین بار شاسی مونوکوک تمام کربنی را معرفی کرد. اما ورود به خودروهای خیابانی با لامبورگینی Countach Anniversary در سال ۱۹۸۹ و استفاده محدود از پنلهای کربنی آغاز شد. نقطه عطف واقعی سال ۲۰۱۰ و معرفی بامو i3 بود؛ اولین خودرویی که بهصورت انبوه (بیش از ۲۰۰ هزار دستگاه) از ساختار کربنی در اتاق مسافر (Life Module) استفاده کرد. پس از آن، نسل هفتم کوروت (C7) در سال ۲۰۱۴ کف کربنی، آلفارومئو 4C با شاسی تمام کربنی و سری جدید سوپراسپرتها (لافراری، P1، 918 Spyder) این روند را شتاب دادند.
کاربردهای فعلی در خودروسازی
۱. شاسی و مونوکوک امروزه مونوکوک کربنی به استاندارد سوپراسپرتها تبدیل شده است. مکلارن از سال ۲۰۱۱ تمام مدلهایش را با MonoCell یا MonoCage کربنی تولید میکند. وزن این ساختارها معمولاً بین ۷۰ تا ۱۱۰ کیلوگرم است (در مقایسه با ۲۵۰-۳۵۰ کیلوگرم شاسی فولادی مشابه).
۲. بدنه و پنلها سقف، کاپوت، درها، اسپلیتر، دیفیوزر و بال عقب تقریباً در تمام سوپراسپرتها از کربن ساخته میشوند. در خودروهای لوکس مانند رولزرویس Spectre یا بنتلی Continental GT Speed جدید نیز سقف و برخی تزئینات از کربن بافتهشده (با طرحهای ۳×۳ توئیل یا ۱۲K) استفاده میشود.
۳. قطعات تعلیق و سیستم ترمز بامو در M3/M4 G80-G82 برای اولین بار بازوهای تعلیق کربنی تولید انبوه معرفی کرد. همچنین دیسکهای ترمز کربن-سرامیکی (CCM) که ماتریس کربنی دارند، در خودروهایی مثل پورشه 911 GT3 یا تمام مدلهای تسلا Plaid استفاده میشوند.
۴. باتریپک خودروهای برقی وزن کمتر یعنی برد بیشتر. به همین دلیل تسلا در Model S Plaid جدید، جنسیس در برخی پروتوتایپها و ریماک Nevera از ساختار کربنی برای محافظ باتری استفاده میکنند. بامو نیز در iX و i4 از CFRP در کف باتریپک بهره میبرد.
روشهای تولید
سه روش اصلی تولید قطعات کربنی خودرو وجود دارد:
- Pre-preg + اتوکلاو (روش سنتی سوپراسپرتها): دقت بالا، اما گران و کند
- RTM (Resin Transfer Molding): بامو برای i3 و i8 از این روش استفاده کرد. سرعت بالاتر و هزینه کمتر
- فورجینگ کربن (Carbon Forged): بامو M Performance و لامبورگینی اخیراً معرفی کردهاند؛ الیاف کوتاه در فشار و حرارت بالا قالبگیری میشوند و استحکام خوبی با هزینه کمتر دارند.
مزایا و معایب
مزایا:
- کاهش وزن ۴۰ تا ۷۰ درصدی نسبت به فولاد/آلومینیوم
- افزایش چشمگیر سختی پیچشی شاسی (مثلاً مکلارن 720S حدود ۳۵٬۰۰۰ Nm/deg)
- بهبود چشمگیر دینامیک خودرو، شتاب، ترمز و هندلینگ
- ظاهر لوکس و اسپرت منحصربهفرد
- طول عمر بالا و مقاومت در برابر خوردگی
معایب:
- هزینه بسیار بالا (حتی در تولید انبوه ۵-۱۰ برابر آلومینیوم)
- تعمیر دشوار و گران (در تصادفات شدید معمولاً قطعه کامل تعویض میشود)
- رفتار شکست ترد (بدون تغییر شکل پلاستیک هشدار نمیدهد)
- مصرف انرژی بسیار بالا در تولید (حدود ۲۰۰-۵۰۰ مگاژول بر کیلوگرم)
- بازیافت دشوار (هرچند شرکتهایی مثل Carbon Conversions و Gen 2 Carbon در حال توسعه روشهای بازیافت هستند)
آینده الیاف کربن در خودروسازی
با کاهش هزینهها (در ۱۰ سال گذشته قیمت پیشماده کربن حدود ۷۰ درصد کاهش یافته)، پیشبینی میشود تا سال ۲۰۳۰ سهم CFRP در خودروهای سواری به بیش از ۵۰۰ هزار تن در سال برسد. شرکتهای ژاپنی Toray و Teijin و شرکت آلمانی SGL Carbon بزرگترین تأمینکنندگان هستند. همچنین روشهای جدید مثل:
- HP-RTM و Wet Compression Molding
- استفاده از الیاف بازیافتی (rCFRP)
- ترکیب کربن با ترموپلاستیکها (برای بازیافت آسانتر)
- تولید با انرژیهای تجدیدپذیر در حال توسعه هستند.
در خودروهای برقی، کاهش وزن مستقیماً به معنای افزایش برد یا کاهش ظرفیت باتری (و در نتیجه هزینه) است؛ بنابراین حتی خودروهای میانرده برقی آینده (مثل نسل بعدی بامو Neue Klasse که سال ۲۰۲۵ معرفی میشود) احتمالاً بخشهای مهمی از ساختارشان کربنی خواهد بود.
نتیجهگیری
الیاف کربن دیگر فقط یک ماده لوکس و نمایشی نیست؛ به یک ضرورت مهندسی برای رسیدن به عملکرد بالا، ایمنی و کارایی انرژی تبدیل شده است. هرچند هنوز هزینه آن مانع استفاده گسترده در خودروهای ارزانقیمت است، اما روند نزولی قیمت و پیشرفت تکنولوژی تولید، این ماده را به یکی از ستونهای اصلی خودروسازی قرن ۲۱ تبدیل کرده است. از فرمول یک تا خودروهای برقی شهری، کربن نه تنها وزن را کم کرده، بلکه مرزهای ممکن در طراحی و عملکرد خودرو را نیز جابهجا کرده است.