碳纖維復合材料汽車零部件開發與應用前景

陳洪興 李文龍 梁敏杰

摘? 要：改革開放以后，人們的生活水平逐步提高，人們出行對于汽車的需求逐步增加，需求刺激了汽車行業與相關產業的發展，尤其是汽車零部件開發與制造企業。在汽車零部件開發過程中，碳纖維復合材料逐步成為新興的材料類型，其具備結構穩定、耐腐蝕和抗高溫等特性，并且還具有良好的環保性能，在此情況下，碳纖維復合材料汽車零部件的開發具有良好的發展前景。該文從碳纖維復合材料的相關概念著手，分析了碳纖維復合材料的開發歷程與具體應用，對于提升該材料的應用價值具有重要的意義。

關鍵詞：碳纖維復合材料;汽車行業;零部件開發;應用前景

中圖分類號：U465? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

近年來，隨著經濟社會的發展，汽車生產與制造行業逐漸成為國民經濟的支柱產業，隨著汽車行業的日益發展，開始應用各種新型的制造材料，以碳纖維復合材料為例，其在很多汽車零部件的開發中得到了極為普遍的應用，滿足了現代汽車行業低碳環保理念的發展要求，適應了可持續發展的趨勢，實現了汽車行業的創新發展。碳纖維復合材料的性能良好，并且其環保效益極好，在汽車行業受到了很多制造廠家的青睞，未來還將具有廣闊的發展與應用價值。

1 碳纖維復合材料

1.1 碳纖維復合材料概念

從碳纖維的構成來看，該種材料中的碳含量高達95%以上，是一種強度與模量纖維都較高的新型材料。從碳纖維的形成過程來看，由片狀石墨微晶等有機纖維沿著纖維軸向堆砌而成，隨后經過碳化與石墨化處理以后形成。碳纖維比金屬的性能要好，例如與金屬鋁相比，碳纖維質量較輕，與鋼鐵相比，碳纖維的強度更高，且自身具有良好的抗腐蝕等特性，在實際的應用中，不僅可以充分發揮碳材料的特性，還具備紡織纖維的柔軟性，可以實現各種加工處理，其應用價值極高。碳纖維與樹脂、金屬等的基體復合，可以形成碳纖維復合材料。

1.2 碳纖維復合材料的特征

1.2.1 具有很高的比強度與比模量

碳纖維復合材料的強度、模量等指標與金屬材料并沒有明顯的差距，主要是其密度極小。與金屬材料相比，比強度可以與比模量都遠高于金屬材料，因此，這種特性決定了在實際應用中，在單位質量相同的條件下，碳纖維復合材料的承載能力較強，而承載能力相同時，碳纖維復合材料的質量更小。

1.2.2 具有良好的抗疲勞性能

碳纖維復合材料本身具備極高的抗疲勞特性。具體來說，當材料在受到一定的荷載以后，內部裂紋會逐步擴展，從而加速材料的斷裂等。碳纖維復合材料在應用過程中，碳纖維與基體之間的作用可以在一定程度上避免裂紋的擴展，因此，其具有良好的抗疲勞特性。

1.2.3 具有更高的破損安全性

在傳統的金屬材料的應用中，一旦其受到破壞作用，其破壞、開裂、脫黏過程基本可以一步到位，而碳纖維復合材料則不同，該破壞作用并不是瞬時的過程。如果斷裂的只是材料中的少部分纖維，那么基體依然可以進行荷載的傳遞與分布，在一定程度上還可以對破壞作用起到一定的保護與延緩作用。

1.2.4 具有良好的減震性

就碳纖維復合材料的受力結構來看，其自震頻率與本身的形狀、材料比模量二次方等存在緊密的聯系，一般情況下，材料的自震頻率較高，但是，碳纖維復合材料的界面可以進行能量的吸收，因此，其具有良好的減震性能。

1.2.5 耐高溫、耐腐蝕

碳纖維復合材料本身具有耐高溫、耐腐蝕的特性，這種特性可以使碳纖維復合材料可以被廣泛地應用于各種生產中。

2 碳纖維復合材料發展歷史與發展現狀

從20世紀70年代開始，碳纖維復合材料引起了人們的重視。就我國碳纖維復合材料的研究與應用來看，其遠遠落后于發達國家，經過多年的發展，逐步取得了一定的發展成果，在國內市場，初步形成了一條相對完善的碳纖維復合材料產業鏈，碳纖維復合材料被廣泛地應用于航空航天、汽車制造等多個領域。就碳纖維復合材料的應用現狀來看，其價格較高，因此，價格因素成為制約其應用的重要因素，很多生產過程中將碳纖維復合材料作為輔料使用。另一方面，我國碳纖維復合材料的研發與創新不足，多依賴于進口，因此，未來需要加大該材料的研究力度。與普通的材料相比，零部件自動化的實現可以達到控制成本的目的，因此，碳纖維復合材料在汽車零部件生產中將具有廣闊的發展前景。

3 碳纖維復合材料汽車零部件開發

碳纖維復合材料的特性決定了其可以在汽車生產與制造中發揮重要的作用。以美國、如本等發達國家為例，這些國家碳纖維復合材料的應用技術已趨于成熟，寶馬I3電動車車身就應用了該材料，這是碳纖維復合材料應用的成功典范。就該材料在寶馬I3中的應用來看，其主要突破了2方面的技術限制。1）開發并使用了可以在汽車生產中使用的碳纖維復合材料，實現了汽車生產成本的有效控制。2）逐步開發并應用了全新樹脂體系、高壓條件下的RTM成型技術，不僅保證了生產的效率，還達到了成本控制的理想效果，從而有利于實現規模化生產，因此，該應用為碳纖維復合材料的大力推廣奠定了良好的基礎。

東麗與豐田還聯合開發了一種熱塑性較好的碳纖維復合材料、燃料電池反應堆框架等，開發出的這些技術成果在電池汽車中都取得了極為良好的應用效果。就這種材料的開發過程而言，其成型時間極短，其生產效率遠遠高于熱固性材料，因此，這種特性為規?；?、批量化生產提供了便利。

就我國碳纖維復合材料在汽車零部件生產中的應用來看，其技術還不成熟，雖然少數企業逐步研發出了相關的碳纖維復合材料，但是其生產與應用中還存在著諸多的限制因素，無法實現批量生產與使用。隨著我國政府對汽車生產行業宏觀政策的調整，許多汽車生產企業越來越關注碳纖維復合材料，但是常常受到技術等因素的限制，使其在汽車零部件的應用中存在一定的限制。碳纖維復合材料的應用中還需要充分結合國家相關的規定來加以開發與應用，從而使該材料的應用能夠符合國家相關的標準與規范，滿足經濟社會可持續發展的必然要求，實現汽車生產行業的創新發展。

4 碳纖維復合材料汽車零部件前景

近年來，經濟社會的發展帶動了人們生活水平的提高，因此，汽車需求逐步增加，我國逐步成為汽車生產與銷售大國。在汽車生產中，使用的復合材料類型較多，但是，有些復合材料的應用范圍有限，并不能夠在汽車生產領域中大力推廣。隨著汽車行業的快速發展，汽車生產與制造越來越關注其環保、節能發展的效果，尤其是近年來油價飆升，使高強、輕質的碳纖維復合材料在未來的汽車生產企業中必然在占據著重要的位置，具有廣闊的發展空間，還會帶動其他相關技術等的進步，實現汽車制造行業的長遠、可持續發展。

5 結語

碳纖維復合材料基于其良好的性能優勢，在汽車零部件的開發與應用中將具有良好的應用前景，相關部門要加大對碳纖維復合材料的研究力度，提升該種材料的應用價值，擴展碳纖維復合材料的應用范圍，實現汽車生產行業的可持續發展，以適應節能環保的發展要求。

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