碳纖維材料在汽車上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢探討

陳小龍 李?yuàn)^杰

摘 要 新時(shí)期環(huán)境下，汽車在人們的生活中扮演著重要的角色，這也推動了汽車行業(yè)迅速發(fā)展，同時(shí)現(xiàn)階段汽車工業(yè)也是國家支柱產(chǎn)業(yè)類型。在汽車的發(fā)展中，輕量化逐漸成為了其發(fā)展的目標(biāo)之一，而碳纖維材料具有著顯著的性能，在汽車中的運(yùn)用就具有很大的運(yùn)用前景，本文就針對碳纖維材料在汽車上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢進(jìn)行探討，對碳纖維材料的使用進(jìn)行深入的了解。

關(guān)鍵詞 碳纖維材料 汽車行業(yè) 發(fā)展趨勢

中圖分類號：TQ327.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0前言

隨著人們生活水平的提升，汽車逐漸進(jìn)入到了普通家庭，2019年我國上半年的機(jī)汽車保有量就達(dá)到了2.5億輛，巨大的保有量帶來了能耗和生態(tài)環(huán)境等問題。汽車行業(yè)要想實(shí)現(xiàn)長遠(yuǎn)發(fā)展，需要其做好對能源消耗的控制以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。而碳纖維作為一種纖維狀碳素材料類型，力學(xué)性能十分優(yōu)異，質(zhì)量密度相對于現(xiàn)有的金屬材料也有很大的優(yōu)勢，對汽車材料重量及能耗實(shí)現(xiàn)了有效節(jié)省，這就需要汽車行業(yè)認(rèn)識到其材料的價(jià)值，積極進(jìn)行汽車上的應(yīng)用，這對汽車行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展具有重要的意義。

1碳纖維材料概述

對于碳纖維來說，它是微晶石墨的材料類型，此材料是通過有機(jī)纖維實(shí)施石墨化以及碳化的處理后獲取，此材料含碳量占到無機(jī)性高分子的纖維90%的比例。根據(jù)微觀方面分析，這種材料的結(jié)構(gòu)和人造的石墨結(jié)構(gòu)較為類似，呈現(xiàn)亂層石墨的結(jié)構(gòu)類型。碳纖維是一種新型的增強(qiáng)型的纖維，不僅具備碳材料特性，還具備紡織纖維可塑性以及柔軟性特點(diǎn)。通過把碳纖維和玻璃纖維以及凱芙拉的纖維實(shí)施對比，發(fā)現(xiàn)碳纖維楊氏的模量超過3倍玻璃纖維楊氏的模量，且約是2倍凱芙拉的纖維楊氏模量，還具有顯著耐腐蝕的性能。

2碳纖維材料在汽車上的應(yīng)用優(yōu)勢

碳纖維的材料具有著諸多的優(yōu)勢，主要包括較好減重效果、高安全性、強(qiáng)度和硬度大、節(jié)能效果好等。在減重效果方面，碳纖維具有質(zhì)量輕特點(diǎn)，汽車鋼鐵的材料占到車體3/4的質(zhì)量，而碳纖維的使用僅約是鋼鐵重量的20%，因此汽車通過碳纖維的材料使用，就能夠?qū)崿F(xiàn)汽車的輕量化生產(chǎn)，通過碳纖維的復(fù)合材料能夠達(dá)到超過60%的減重效果。在安全性方面，此材料碰撞中所具備對能量吸收的能力要比鋼高5倍，主要是因?yàn)樘祭w維呈尖塔狀且潰縮柱是無數(shù)個(gè)粗壯碳纖維而構(gòu)成的，結(jié)構(gòu)十分堅(jiān)固，在材料和工藝合理設(shè)計(jì)后，當(dāng)發(fā)生正面的碰撞時(shí)，會破碎成很多細(xì)小型碎片，對大量碰撞能量進(jìn)行吸收，實(shí)現(xiàn)對汽車安全性的提升。在硬度和強(qiáng)度方面，碳纖維的強(qiáng)度超過20倍鐵的強(qiáng)度，且硬度超過10倍鋼材的硬度。在節(jié)能效果方面，同一車型，碳纖維的材料生產(chǎn)的汽車和鋼結(jié)構(gòu)的汽車比較，同樣體積燃油要比鋼結(jié)構(gòu)的汽車行駛里程多出50km，實(shí)現(xiàn)了對燃油效率的提升。

3碳纖維材料在汽車上的應(yīng)用

3.1車身與底盤

因?yàn)樘祭w維的材料具有很好的強(qiáng)度和硬度，因此在汽車的車身與底盤等結(jié)構(gòu)件的制作中比較適合使用。通過碳纖維的復(fù)合材料使用，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車的車身以及底盤的重量減輕1倍以上，其中通用的超輕概念汽車就使用碳纖維的車身與底盤，實(shí)現(xiàn)了68%的減重。同時(shí)碳纖維制作的引擎蓋以及碳纖維的復(fù)材車頂，還能夠?qū)ζ囻{駛的性能進(jìn)行提升。比如，在寶馬M3的雙門轎跑中，其就使用了碳纖維的車頂，比普通型汽車減輕5kg重量，不僅減輕了其自重，還大幅實(shí)現(xiàn)對車輛重心的降低，進(jìn)而提高汽車動態(tài)的穩(wěn)定性;且斯巴魯?shù)腤RX STItS通過碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行車頂?shù)闹谱鳎弯摪逑啾葘?shí)現(xiàn)80%的減重。由于現(xiàn)階段汽車碳纖維材料的量產(chǎn)成本太高，這也影響其普及程度，只是在一些賽車和高級轎車等車型中進(jìn)行使用。

3.2輪轂

在碳纖維的輪轂中，主要對外環(huán)通過碳纖維的材質(zhì)制作，而其內(nèi)轂則是輕量型合金，并和不銹鋼類型螺絲搭配而成，其比同樣尺碼輪轂的質(zhì)量約輕40%，同時(shí)輪轂通過碳纖維的材料使用，還能夠最大限度實(shí)現(xiàn)對車輪徑向的慣性力降低。英國的Kahm公司就通過碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行RX-X型的高級型轎車專用的車輪制作，其重量僅6kg，能夠高速的行駛同時(shí)，還能夠?qū)囕啅较虻膽T性力進(jìn)行降低。

3.3剎車片

碳纖維的材料有著環(huán)保性和高溫度的耐磨性等特點(diǎn)，其在汽車的剎車片上使用，能夠有效的提高剎車片的有效性。往往在汽車的制動中，由于存在過多剎車的情況，剎車片因?yàn)槲樟舜罅繜崮軙兊煤芗t，也常見一些汽車由于長時(shí)間的制動而導(dǎo)致剎車片高溫情況，進(jìn)而造成輪胎的著火情況。通過特殊工藝將碳纖維加入到剎車片的制作中，則制動盤往往能夠?qū)Ω邷?500℃實(shí)現(xiàn)承受效果，且制動的穩(wěn)定性也十分優(yōu)秀。

3.4后座椅的骨架

在傳統(tǒng)汽車進(jìn)行后座的椅骨架制作中，一般都是通過鋼制成的，使用碳纖維的復(fù)合材料對傳統(tǒng)鋼材料實(shí)施代替，就能夠?qū)ζ囎蔚馁|(zhì)量實(shí)現(xiàn)有效的減輕，實(shí)現(xiàn)座椅的輕量化，從而達(dá)到減重的效果。在對碳纖維的后座椅塑料成型處理中，因?yàn)樘祭w維的材料呈現(xiàn)的主要方式為短纖維，和碳纖維的復(fù)合材料比較，發(fā)現(xiàn)這種短纖維結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度比較低，所以通過碳纖維的復(fù)合材料進(jìn)行產(chǎn)品的制作，能夠有效提升后座椅的骨架耐受沖擊性、高疲勞、高強(qiáng)度和耐腐蝕性等性能。

3.5汽車內(nèi)飾

在碳纖維的材料使用中，不僅僅用在車身方面，對一些汽車內(nèi)飾也比較適用。通過碳纖維的材料能夠?qū)饘賰?nèi)飾材料進(jìn)行代替，比如把皮子、鋁以及碳纖維的材料用在車廂的各個(gè)位置，就能夠形成典雅以及運(yùn)動特性。同時(shí)根據(jù)此材料具有良好的安全性、裝飾性和輕量化等優(yōu)點(diǎn)，在汽車儀表板的表面材料中也逐漸得到了使用。

3.6燃料貯罐

通過碳纖維的材料在燃料貯罐中的使用，能夠達(dá)到壓力容器輕量化的效果。近年來，環(huán)保汽車受到的廣泛關(guān)注和開發(fā)，將氫當(dāng)作燃料的電池類型汽車也逐漸通過碳纖維的材料進(jìn)行燃料貯罐的制作，美國福特的氫燃料汽車就使用了這種材料制作燃料儲罐。

3.7耐熱隔音的部件

聚丙烯腈的預(yù)氧化絲主要是通過丙烯腈系的纖維進(jìn)行碳纖維的制造中所產(chǎn)生中間的產(chǎn)品，此纖維碳化的比例超過了50%，除了重量輕之外，還有著很好耐燃、耐熱的性能，在高溫下能夠長期的使用，且還具有優(yōu)良絕熱的性能，因此其在汽車耐熱隔音的部件上逐漸得到了應(yīng)用。比如，通過混有一定聚丙烯腈的預(yù)氧化纖維非織的造布面料當(dāng)作引擎蓋的隔音、隔熱墊以及引擎艙和駕駛艙間隔音、隔熱墊的表面材料等。另外，在汽車進(jìn)氣的系統(tǒng)中，通過碳纖維的使用，自空氣的濾清器至進(jìn)氣導(dǎo)管都通過純碳纖維的材質(zhì)進(jìn)行圓柱狀的集氣筒制造，由于其具有量輕和隔熱等特點(diǎn)，則進(jìn)氣溫度就不會受到引擎室的高溫而影響。

4碳纖維材料在汽車上的發(fā)展趨勢

盡管碳纖維具有著顯著的特點(diǎn)，但其在汽車的運(yùn)用中還存在一定的局限性，如抗穿刺的能力比較差、價(jià)格成本高、損壞后不能修復(fù)等，要實(shí)現(xiàn)此材料的更好運(yùn)用，需要對其性能缺陷進(jìn)行解決。在國外各大的汽車廠家中，逐漸都重視對碳纖維的復(fù)合材料進(jìn)行開發(fā)，進(jìn)而進(jìn)行節(jié)能環(huán)保以及安全性的汽車制作，而隨著研究的不斷深入，在未來的纖維產(chǎn)品發(fā)展中將趨向于高性能，同時(shí)通過碳纖維的復(fù)合材料使用，對汽車零部件的成本進(jìn)行不斷的降低，從而實(shí)現(xiàn)碳纖維的復(fù)合材料對金屬材料的完全替代。為了實(shí)現(xiàn)輕量化，我國龐大的汽車市場對碳纖維相關(guān)材料的使用有著巨大潛力和價(jià)值。

5結(jié)語

綜上所述，碳纖維的材料具有著顯著的特點(diǎn)，其在汽車制造中的使用有效的提升了汽車性能，但在實(shí)際的運(yùn)用中仍然還存在一定的局限性，因此，汽車行業(yè)一定要認(rèn)識到碳纖維材料的使用價(jià)值和發(fā)展前景，積極對此材料進(jìn)行開發(fā)和研究，這也是汽車行業(yè)發(fā)展中需要重視的領(lǐng)域之一。

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