1、碳纖維在汽車上的應(yīng)用摘要：碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它具有 許多優(yōu)良性能，密度低，強(qiáng)度大，耐超高溫，耐疲勞性好，耐腐蝕性好，良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性 能、電磁屏蔽性好等。因?yàn)槠鋬?yōu)良的性能，從而在汽車上得到廣泛的使用，推動(dòng)了汽車工業(yè) 的變革。關(guān)鍵詞：碳纖維汽車輕量化一：什么是碳纖維碳纖維（carbon fiber，簡(jiǎn)稱CF），是一 種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量 纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨 微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而 成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶 石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比 金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具 有耐腐蝕、高模

2、量的特性，在國防軍工 和民用方面都是重要材料。它不僅具有 碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，無蠕變，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間， 熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性好，纖維的密度低，X射線透過性好。但其耐沖擊性較差，容易損 傷，在強(qiáng)酸作用下發(fā)生氧化，與金屬復(fù)合時(shí)會(huì)發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得；按狀態(tài)分為長(zhǎng)絲、 短纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。現(xiàn)今，碳纖維是軍民兩用新材料，屬于技術(shù)密集型和政治敏感的關(guān)鍵材料。碳纖維可加工成 織物、氈、席、帶

3、、紙及其他材料。傳統(tǒng)使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨(dú) 使用，多作為增強(qiáng)材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維 增強(qiáng)的復(fù)合材料可用作飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用 于制造火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動(dòng)軸等。1994年至2002年左右，隨著從短纖碳纖維到長(zhǎng)纖碳纖維的學(xué)術(shù)研究，使用碳纖維制作發(fā) 熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸進(jìn)入軍用和民用領(lǐng)域。車用碳纖維復(fù)合材料可用作汽車傳動(dòng)軸、 板簧、構(gòu)架和剎車片等制件。目前鋼鐵材料約占車體重量的3/4,如果汽車的鋼材部件全部 由碳纖維復(fù)合材料置換，車體重量可減輕300kg，燃油效率提高3

4、6%，二氧化碳排放量可削 減17%。我國汽車年產(chǎn)量將突破2000萬輛，預(yù)計(jì)今后還會(huì)繼續(xù)上升。研制輕量化汽車是實(shí) 現(xiàn)我國低碳經(jīng)濟(jì)的迫切需求，汽車應(yīng)用碳纖維是輕量化的新選擇。碳纖維在汽車上的應(yīng)用1汽車車身和底盤 由于碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材 料有足夠的強(qiáng)度和剛度，是制造汽 車車身和底盤等主要結(jié)構(gòu)件的最 輕材料。預(yù)計(jì)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng) 用可使汽車車身和底盤減輕質(zhì)量 40% 60%,相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/31/6。 英國材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室曾對(duì)碳纖維 復(fù)合材料減重效果進(jìn)行研究，結(jié)果 表明，碳纖維增強(qiáng)聚合物材料車身 重172 kg,而鋼制車身質(zhì)量為368 kg，減重約50%。2剎車片碳纖維還因?yàn)槠洵h(huán)保和耐磨的

5、特點(diǎn)而應(yīng)用在剎 車片上，但含有碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)品都價(jià)格 偏高，所以，目前這種剎車片還主要應(yīng)用在高 檔汽車上。碳纖維制動(dòng)盤被廣泛用于競(jìng)賽用汽 車上，如F1賽車。它能夠在50 m的距離內(nèi)將 汽車的速度從300 km/h降低到50 km/h，此時(shí) 制動(dòng)盤的溫度會(huì)升高到900 C以上，制動(dòng)盤會(huì) 因?yàn)槲沾罅康臒崮芏兗t。碳纖維制動(dòng)盤能 夠承受2 500 C的高溫，而且具有非常優(yōu)秀的 制動(dòng)穩(wěn)定性。3輪轂 德國的輪轂制造專家推出的輪轂系列，采取2片式設(shè)計(jì)，外 環(huán)為碳纖維材質(zhì)打造，內(nèi)轂為輕量化的合金，搭配不銹鋼制 的螺絲，較一般同尺碼的輪轂質(zhì)量低40%左右。以20寸的輪 轂為例，該輪轂質(zhì)量為6 kg，而一

6、般輪轂約重18 kg。英國 Kahm公司使用CFRP制得的RX-X型高級(jí)汽車專用車輪，質(zhì) 量?jī)H為6 kg，可高速行駛，并可最大限度地降低車輪的徑向 慣性力。由英國DYMAG公司開發(fā)的世界最輕碳纖維/鎂車輪 由碳纖維輪網(wǎng)和鎂剎車盤2部組成，并用鍍鈦的特殊硬件連 接起來。4.傳動(dòng)軸汽車傳動(dòng)軸的受力情況比較復(fù)雜，尤其要承受 很大的扭矩，充分考慮了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料各 向異性、比強(qiáng)度高和比模量相對(duì)較低的特點(diǎn)，從 而使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料傳動(dòng)軸能夠替代金屬產(chǎn)品，滿足使用要求。碳纖維傳動(dòng)軸它不僅減輕了 60%的重量，而且具有更好的耐疲勞性 和耐久性。碳纖維在汽車上的應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)輕量化碳纖維在汽車上的應(yīng)用最主

7、要是它所帶來的汽車輕量化。目前鋼鐵材料約占車體重量 的3/4，如果汽車的鋼材部件全部由碳纖維復(fù)合材料置換，車體重量可減輕300kg。安全性與鋼材相比，碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量鋼的50%，而在碰撞中對(duì)能量的吸收能力卻比鋼高出 45倍。碳纖維復(fù)合材料制造汽車前端框架和保險(xiǎn)杠骨架。呈尖塔狀的碳纖維潰縮柱由無 數(shù)根粗壯的碳纖維編織而成，雖然結(jié)構(gòu)依舊無比堅(jiān)固，但是通過材料、工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì)，這種潰縮柱能夠在正面碰撞時(shí)破碎成無數(shù)細(xì)小的碎片，從而吸收大量的能量，并且碎片 不會(huì)對(duì)人造成傷害，保證了汽車的安全性。（Aston Martin復(fù)合材料防撞吸能結(jié)構(gòu)）（Aston Martin復(fù)合材料防撞吸能結(jié)構(gòu)）燃油

8、經(jīng)濟(jì)性由于全球氣溫變暖，自然災(zāi)害不斷出現(xiàn)，各國在節(jié)能減排上都在不懈地努力。減少碳 的排放將是未來發(fā)展的主流。汽車越輕，燃油經(jīng)濟(jì)性越好。當(dāng)車體重量減輕300kg，燃油效 率了提高36%，二氧化碳排放量可削減17%，可有效節(jié)約能源與保護(hù)環(huán)境。當(dāng)前碳纖維在汽車應(yīng)用上的局限性構(gòu)成碳纖維車架的是碳纖維，它的特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度強(qiáng)，但剪斷強(qiáng)度弱，加工時(shí)需要進(jìn)行復(fù) 雜的應(yīng)力計(jì)算（縱剛性、橫剛性），根據(jù)計(jì)算把碳纖維片重疊成型。一般來講，碳纖維抗面的 沖擊相當(dāng)好，而抗穿刺能力就很差了。就是說你橫摔豎拍不要緊，就怕的是橫摔豎拍的過程 中碰到一兩塊鋒利的小石子，那可就不是拿去焊一下就可以解決的了。價(jià)格昂貴，和鈦合金相比，碳纖維車架的價(jià)格有過之而無不及，向頂級(jí)的碳纖維車架的 價(jià)格都要上萬，而科那哥的C40和C50的價(jià)格甚至超過2萬元。這主要是因?yàn)樘祭w維車架的制 作過程需要很多的手工，并且報(bào)廢率很高，造成成本的大量上升。雖然碳纖維強(qiáng)度大，但是碳纖維是脆性材料，受力過大不會(huì)發(fā)生形變而是直接斷裂，所以損壞后基本無法修復(fù)，只能更換。結(jié)語碳纖維材料作為未來汽車材料發(fā)展的主流，必將在未來的汽車工業(yè)中扮演非常重要的角 色。應(yīng)用這些新型纖維復(fù)合材料能夠滿足汽車耐高溫、高強(qiáng)度和減振降噪的功能性要求，實(shí) 現(xiàn)設(shè)計(jì)模塊化、生產(chǎn)高效率和材料的回收利用，并進(jìn)一步減重、降成本。但是，每一種新