碳纖維復合材料在汽車改裝領域的應用探討

(1.湖北工業(yè)職業(yè)技術學院，湖北 十堰 442000；2.東風越野車有限公司，湖北 十堰 442000)

0 引言

我國最早的汽車改裝技術是20世紀70年代從香港引進的，引進的汽車改裝技術主要集中在廣東、北京和四川等地區(qū)，后來逐漸在長三角地區(qū)蔓延發(fā)展。伴隨中國政策的放開化發(fā)展，汽車改裝可行性水平得到提升。碳纖維復合材料以其輕量化、科技感的應用優(yōu)勢，成為汽車改裝領域的一個重要發(fā)展分支[1]。為了能夠更好地促進汽車改裝領域的發(fā)展，現(xiàn)就碳纖維復合材料在汽車改裝領域的應用情況進行探究。

1 碳纖維的產生和基本構成

碳纖維是在20世紀60年代開始快速發(fā)展起來的一種高科技、纖維狀碳材料。碳纖維這類材料以聚丙烯晴、瀝青、粘膠纖維作為基本原材料，經過預氧化和碳化加工之后制作形成碳含量在90%比例以上的高性能纖維。碳纖維具備高強度、高比模量、耐腐蝕、耐高溫、振動衰減性高、導熱和導熱性能良好的特點。碳纖維材料在2 000 ℃以上的高溫環(huán)境中也會保持自身原有的強度不變。

從實際應用情況來看，碳纖維不僅具備碳材料的性能，而且還具備紡織纖維的可加工性，是新一代的強化纖維材料。碳纖維以樹脂、陶瓷、碳元素、金屬作為基礎材料，經過一系列的復合加工之后形成性能良好的碳纖維復合材料。碳纖維復合材料不僅可以作為一種力承載結構材料，而且也可以作為一種功能性材料被人們應用到高科技領域[2]。

2 碳纖維復合材料的應用特點

2.1 質輕高強

汽車上經常使用的碳纖維增強樹脂復合材料密度為1.5～2 g·cm-3，密度僅僅為普通碳鋼的20%～25%，甚至比鋁合金還要輕33.3%左右。從實際應用情況來看，碳纖維復合材料的機械性能要優(yōu)于金屬材料，其抗拉強度是鋼材的3～4倍，剛度是鋼材料的2～3倍。按照強度比例的計算，碳纖維復合材料超過了碳鋼和一些合金鋼，因而在使用的時候顯示出較高的強度比。在使用碳纖維材料之后不僅會降低車身的質量，而且還會降低車的功率。為此，在汽車改裝設計的時候人們常會選擇碳纖維材料作為做為傳統(tǒng)金屬零件的替代品，由此能夠減少動能和沖擊危險。

2.2 可設計性良好

碳纖維復合材料的可設計性良好，在使用的時候可以按照不同用途來靈活地進行產品設計。結合產品結構和受力情況通過調節(jié)纖維結構或者排列制作不同厚度的制品，可以提升零部件的整體剛性。

將碳纖維材料按照受力的方向進行排列布置能夠在最大限度上發(fā)揮出碳纖維復合材料的強度優(yōu)勢，將其應用到汽車改裝中能夠達到節(jié)約材料和降低重量的目的[3]。

2.3 零部件的一體化

從節(jié)能的角度考慮，汽車應被設計成空氣阻力最小的外形，鋼材料制作的薄板在壓力成形的時候會受到可加工性能的限制，而碳纖維復合材料更易實現(xiàn)根據(jù)需要來制作成各個形狀的曲面，從而達到一體化的成型效果，充分滿足汽車的空氣動力學設計要求和美觀設計要求。

模塊化、整體化和一體化也是汽車結構設計的一個發(fā)展趨勢，碳纖維復合材料通過科學的模具設計能夠將不同厚度的零部件材料加工成一體化的模型。由此可見，復合材料適合應用在替代鋼制薄板的零件中，且在加工制作的時候能夠提升整車的基本性能。

2.4 抗沖擊性

碳纖維復合材料的抗沖擊性良好，以聚合物為載體的碳纖維材料具備良好的彈性性能，在使用的時候能夠吸收外界對車輛的沖擊。同時，碳纖維材料的各個基體之間會形成相對運動，振動衰減系數(shù)也會被增大，在行駛車輛出現(xiàn)較大沖擊的時候可以及時吸收這些能量，最終達到保障人身安全的目的。

3 碳纖維復合材料在汽車改裝領域的應用

3.1 碳纖維輪轂

碳纖維復合材料在汽車輪轂制作中的應用，能夠提高輪轂的質量，從而有助于轉動慣量。從實際應用上來看，簧下質量每減少1 kg，輪轂輕量化效果約等于簧上質量減少6 kg，所以碳纖維輪轂會顯著改善車輛的操控性能。碳纖維材料以其穩(wěn)固性能和堅韌的材質還能夠更好地完成轉向反應、傳遞路感等輪轂性能要求，進而提高車輛的行駛速度。

3.2 制動系統(tǒng)

碳纖維復合材料在制動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)中同樣有著廣泛的應用[4]。碳纖維制動盤具備良好的耐高溫性，在實際應用的過程中可以承受超過2500 ℃的溫度，且在使用的過程中能夠保證車輛制動盤的安全性和穩(wěn)定性。

保時捷918 spider應用碳纖維復合材料制作制動盤能實現(xiàn)在50 m以內，使車速從300 km·h-1降低到50 km·h-1。從實際使用情況來看，碳纖維材料制作的傳動軸不僅會降低車輛的質量，而且還會增強車輛的耐久性。

3.3 汽車進氣系統(tǒng)、發(fā)動機領域

碳纖維復合材料作為汽車進氣系統(tǒng)材料，一方面可減輕其質量，使整個汽車系統(tǒng)的設計更加簡潔、輕便；另一方面還能夠將其加工成不同的形狀，滿足汽車在不同情況下的行駛需要，并有效提高汽車進氣效率。另外，從實際應用情況來看，碳纖維良好的耐高溫性能能夠幫助汽車承受更高的工作溫度。

3.4 汽車內飾、門窗等領域

碳纖維復合材料的緩沖和減震效果良好，對外界的撞擊會產生良好的緩沖作用，在汽車發(fā)生撞擊的時候能夠減少因為撞擊產生的碎片，從而提升汽車的安全性能[5]。碳纖維內裝飾材料在汽車加工中的應用還能夠簡化汽車的生產制造加工流程，降低汽車加工制造的成本。

3.5 碳纖維材料在傳動軸中的應用

碳纖維材料的各向異性、比強度高、比模量較低的特點能夠在傳動軸上充分發(fā)揮出來。和普通的鋼材相比，在將碳纖維材料應用到車身上，可以在同等重量和直徑的情況下，使得車輛的抗扭矩力達到鋼材的170%以上。不僅如此，將碳纖維材料應用到改裝車的轉動軸上還能夠有效降低轉動軸的重量，增強車輛的耐久性和抗疲勞性[6]。

4 結語

綜上所述，在社會的發(fā)展進步下，高性能纖維材料和復合材料取得了突破性的發(fā)展，加上人們對汽車加工生產要求的提高，碳纖維零件已成為汽車輕量化發(fā)展的一個重要方向。在這樣的發(fā)展背景下，越來越多的車用金屬零件將會被碳纖維復合材料零件替代，越來越多的碳纖維材料也會被人們應用到汽車改裝領域。但是與國外的碳纖維產業(yè)相比，我國現(xiàn)階段生產的碳纖維質量不高、離散系數(shù)比較大、生產成本高，碳纖維材料的小批量生產、高附加值生產帶來的高成本將會是阻礙碳纖維零部件市場化的一個重要因素。在發(fā)展碳纖維材料的過程中需要相關人員進一步優(yōu)化碳纖維材料的制造模式，提高碳纖維材料的制造效率，從而更好的發(fā)揮出碳纖維材料在改裝車生產加工中的優(yōu)化作用。

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