1+1>2这个道理,连发动机都懂了

来源: 果壳

发布日期: 2015-12-22

本文讨论了复合材料在材料科学中的应用,以及混合动力汽车的发展和应用,强调了复合思想在不同领域的广泛应用和未来潜力。

材料科学领域,要说“复合”二字想必不会陌生。甚至,复合材料被认为是未来新材料的必然趋势。为什么这么说呢?单一材料的性能已经取得了充分的发展,要继续提高性能成本非常高。而尺有所短,寸有所长,单一材料在某些方面高性能的同时总有自己的软肋,没有万能的材料。

而如今对新型材料的期待又是那么“奇葩般的完美”——又要玻璃般的硬度与透明,又要金属般的强韧不易打碎,所以将多种材料的性能结合在一起,取长补短,制备出新型复合材料是比较现实的解决办法。

其实复合的思想很早就有,最原始的就是把两种材料混合或者贴合在一起。比如自行车头盔,需要轻质泡沫塑料作为缓冲,于是把它作为主体。但是再硬的泡沫也难抵挡尖锐物体的穿刺和划伤。

试想头顶一团泡沫在树林子里玩越野,随便来个树枝就能把你的头盔劈开那多么恐怖。于是,在泡沫上附上一层硬质塑料壳,就像加了一面盾一样,既不增加太多重量又保护了内层的泡沫塑料。当然,在比较大的冲击下,这层硬质塑料壳还是可以变形或者破碎不影响内层的泡沫塑料缓冲吸能。

当然,如今新材料制备如果还在用泡沫+硬壳贴在一起的玩法就太业余了。在材料制备能力已经可以达到纳米级的今天,复合材料的制备技术也自然用到这些。

说一个和我们生活很贴近的例子。寒冷的冬天,大家都带上手套防寒保暖。但在触屏手机普及的今天,一旦来个电话,或者想一边等车一边刷个手机,就得冒成为寒冰掌之苦。说到这里,不少人可能猜到了,有“触屏手机手套”这么个神器。仔细看你会发现,这些手套在指尖的部分是导电的,这就让手机的电容式触摸屏隔着手套感受到你的手指。

除了这些,甚至还可以通过热处理让玻璃中长出纳米级晶体,包裹稀土离子,使这些中心离子在晶体场微环境中表现出发光、磁性等特殊性质。宏观来看,你得到了一块能发光,或者有磁铁般磁性的玻璃。这种取长补短的“复合”思路在材料以外的领域也得到应用,比如时下流行的混合动力汽车,本质也是如此。

我们用惯了一百多年的汽油发动机其实有个局限性:低转速下扭矩和功率都不太大。

想想平时开车起步,是不是都得把油门踩到2500rpm左右开动?但转速高了油耗就大,尤其在起步这种速度慢的情况下,折算成百公里油耗就更划不来。而那些厂家标注的综合工况油耗7L/100km左右的数据,一大部分得靠平稳高速运转时拉回来。和汽油机相反,电动机在低转速下扭矩大,高转速下扭矩小。既然发现互有所长,结合起来喽——低速时使用电动机,高速平稳运转再启动汽油机。

也许你不会想到,世界上最早的混合动力车不是丰田普锐斯,而是115年前费迪南德·保时捷研发的Lohner-Porsche。很有意思的是,当时它就采用了内燃机+轮毂马达的混合动力模式。也就是说,车载电池的电力不是完全靠外来充电,行驶过程中还可以通过轮毂马达补充,这也和F1最早尝试的动能回收技术如出一辙。

为了增强锂电池的续航能力,不但采用前文Lohner-Porsche那样的动能回收系统,还把排气管上本来用于增压的废气涡轮连上发电机,帮助锂电池恢复电力。当然,赛车技术并不仅仅为娱乐研发,其最大意义在于向民用车的转化。像2015年勒芒LMP1组的冠军车队保时捷就把他们的赛车技术转入量产跑车。

加上没有比赛规则的限制,还可以采用“插电式混动”的设计思路,让更多电力去代替汽油作为能量来源,在保证高效动力的同时兼顾油耗与环保。

在混合动力大行其道的今天,大多数厂家都是为节油而研发。像保时捷这样专注跑车血统保证高效动力的设计思路可谓屈指可数,也许这将成为未来跑车的发展方向。

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