碳纖維材料在汽車零部件的應用前景

【摘 要】碳纖維材料的應用能夠使汽車的零部件更輕，同時使其承壓力更好，非常符合汽車未來的發展趨勢。碳纖維是實現汽車輕量化這一未來目標的重要材料，因此碳纖維在汽車零部件的制造中必然具有廣闊的應用前景。筆者以下就對通過對碳纖維材料在汽車零部件應用中具備的的優良特性，以及其在汽車零部件中的應用情況及廣泛推廣應用存在的問題等各個方面對碳纖維材料在汽車零部件應用中的前景進行了分析。

【關鍵詞】碳纖維材料 汽車零部件 應用 前景

碳纖維被譽為“黑色黃金”，它同時兼具了碳材料的固有特性和紡織纖維的柔軟性兩種屬性。碳纖維從原絲到成品需經歷多道工藝，其最大的優點之一就是質量輕。因此，將碳纖維應用到汽車零部件中最為突出的改變就是能夠在保持其動力系統不變的基礎上，極大地減輕整車的質量。而輕量化正是汽車發展的主要趨勢之一，汽車的輕量化是實現現代汽車設計“安全、舒適、節能、環保”四項要求重要途徑[1]。鑒于以上汽車行業的發展趨勢，以及碳纖維在汽車零部件應用中的優勢作用，碳纖維在汽車零部件中的應用必將具有廣闊的前景。筆者以下就從各個方面對碳纖維材料在汽車零部件的應用前景進行了闡述。

1 碳纖維材料

碳纖維材料就是纖維狀的碳素材料，其主要的成分就是碳元素，含碳量高達90%以上。碳纖維材料的制備需要經歷多道工藝，主要包括預氧化、高溫碳化、石墨化以及表面處理等。每一根碳纖維都是由數千條更加細小的碳纖維組成的，其直徑約為5-8μm，24k以下為小絲束。碳纖維與鋼相比，其比重非常小，不到鋼的1/4，但是其抗拉強度卻遠高于剛，是鋼的7-9倍。碳纖維材料不僅僅具有碳本身所固有的基本特性，同時還兼具了紡織纖維的柔軟性和可加工性，屬于一種新型的增強型纖維[2]。

2 碳纖維在汽車零部件應用中的優勢

2.1 碳纖維材料具有質輕高強的特性

汽車零部件制造中使用到的碳纖維材料，其密度較小，與普通的鋼材相比，只有其密度的1/4—1/5，其質量比鋁合金還要輕，但是碳纖維材料的機械性能卻遠遠優于傳統金屬材料。碳纖維材料與傳統的鋼材相比，其抗拉強度是鋼材的3—4倍，剛度則是鋼材的2—3倍，耐疲勞性則是鋼材的2倍，熱膨脹系數則較鋼材小4—5倍，但是其質量卻比鋼材輕3—4倍。因此，使用碳纖維材料能夠使車身的質量顯著減輕，從而使汽車的功率需求降低，進而采取更小的驅動引擎和懸掛裝置，通過減少動能進而減少了汽車的沖擊危險。因此，采取碳纖維材料進行汽車零部件的制造，能夠顯著的減輕汽車的整體質量，實現汽車的輕量化。

2.2 碳纖維具有良好的可塑性

碳纖維材料具有非常好的可塑性，能夠加工各種汽車零部件，也能夠制作成一體式的整體結構。例如，目前汽車中使用的鐵制汽車座位，其在安裝過程中需焊接50—60個部件，但是如果使用碳纖維材料設計成整體成型的座位，不僅能夠縮短加工時間，同時其精度也能夠得到有效保證。例如目前已經得到應用的樹脂轉移模塑成型技術，該碳纖維材料制造方法具有成本低、效率高、綠色環保等優勢，該制造技術能夠將傳統成型所需的數天時間縮短到幾分鐘。

2.3碳纖維材料具有良好的耐腐蝕性

汽車上的很多零部件在使用的過程中都要承受機油、汽油以及汽車傳動液等化學制劑的腐蝕，并且要經受高溫、嚴寒以及鹽霧等等惡劣環境的考驗。傳統的金屬材料零部件在這些惡劣條件下，其使用壽命會受到影響，并且在不同的環境條件下，其質量的一致性很難得到保障。但是碳纖維材料卻不存在傳統金屬材料的生銹和腐蝕問題。碳纖維材料具有非常好的耐腐蝕性，具有良好的耐酸性能、耐海水性能、耐堿性能、耐鹽和有機溶劑等性能。因此，應用碳纖維材料制造的汽車零部件，其使用壽命較長，且維修費用較低。

2.4 碳纖維材料能夠實現汽車零部件的一體化

模塊化和整體化是汽車結構發展的一種必然趨勢，傳統的金屬材料很難實現這一點。但是碳纖維材料本身所具備的優良特性，使汽車結構的模塊化和整體化成為了可能，只用應用合理的模具，就可以將不同厚度的汽車零部件、凸起部、筋、楞等全部一體成型。因此，對于傳統的鋼制薄板不易制造、生產效率低下、難以保證精度的汽車零部件，使用碳纖維材料能夠克服以上所有問題。例如，蓮花跑車以整車應用碳纖維材料為目的，使其零部件實現了輕量化，從而使整車實現了輕量化，同時增加了其零部件的剛度和強度，使得整車的性能也得到了顯著提升。

3 碳纖維在汽車零部件中的應用

目前隨著碳纖維材料成本的降低以及汽車輕量化發展的要求，碳纖維材料在汽車零部件中應用的優勢已經逐漸被關注和重視起來了。目前碳纖維材料已經開始被應用到汽車的部分零部件的制造中，例如剎車片、傳動軸、燃料箱以及環保汽車中使用的壓縮天然氣氣瓶等[3]。

目前，碳纖維材料在汽車座椅加熱墊中的應用就是其在汽車零部件應用中的一大突破。目前在世界汽車制造廠商來看，絕大多數的高檔、豪華轎車，例如奔馳、寶馬、奧迪等高檔轎車中幾乎都安裝了碳纖維材料座椅加熱裝置[4]。由于碳纖維材料具有非常好的導熱性，因此能夠保證熱量在座椅加熱區域進行均勻的釋放，同時由于碳纖維在座椅中分布均勻，因此應用碳纖維材料不僅能夠保證加熱墊的使用壽命，同時還能夠保持座椅表面皮革的平整完好。目前，碳纖維材料還由于其環保、耐磨的特性而開始被引入到汽車剎車片的制造中來。在賽車中，碳纖維材料制動盤的應用目前已經比較廣泛了，例如F1賽車，就普遍應用了碳纖維材料制動盤。F1賽車能夠在50米的距離內將賽車的車速從300km/h降到50mk/h，但此時制動盤的溫度會出現急劇升高，達到900℃左右的高溫，傳統金屬制造的制動盤會在這樣的高溫下，由于迅速吸收熱量而發紅。但是應用碳纖維材料之后，由于其具有較強的耐高溫特性，最高可承受2500℃左右的高溫，因此碳纖維材料制動盤其在該過程具有非常優秀的制動穩定性[5]。

4 碳纖維在汽車零部件中廣泛應用所遇到的問題

碳纖維材料在我國的研究始于20世紀60年代，至今已經歷經接近50年的歷史，但是整體來看，其研究進展較為緩慢。同時由于發達國家對我國的技術封鎖，導致我國目前仍未實現碳纖維材料的大規模生產，因此目前我國對碳纖維的使用主要依賴進口[6]。因此，筆者認為要想實現碳纖維材料未來在我國汽車零部件中的廣泛應用，目前存在以下幾個亟待解決的問題：其一是碳纖維材料的成本問題，目前碳纖維材料的成本價格較高，是其在汽車零部件中進行廣泛應用的最大阻礙；其二是生產方法的缺乏，目前看來我國尚且缺乏能夠進行大批量、高效率碳纖維材料汽車零部件的生產方法；其三是碳纖維材料汽車零部件的回收利用問題，目前國內對于碳纖維增強熱固性樹脂基復合材料的回收尚且存在問題，亟待解決；其四是目前我國國內尚且缺乏對碳纖維汽車零部件進行制造的相關設計數據、試驗方法、分析工具、碰撞模型等等，都有待進一步進行研究和完善[7]。

5 碳纖維材料在汽車零部件中的應用前景展望

目前，隨著汽車使用數量的急劇增傷，以及對低碳生活的要求，導致國內外的主要汽車生產廠家都積極致力于開發、生產碳纖維及其復合材料化的節能、環保和安全性的汽車。而新一代的汽車必然具備節能降耗的特征，而實現節能降耗的重要途徑就是汽車的輕量化。而目前汽車零部件制造中使用到的一般鋼材等金屬是無法實現汽車輕量化的，因此，采取碳纖維及其復合材料進行汽車零部件的制造就成為了實現汽車輕量化最有效的方法[8]。因此，目前來看，在未來的汽車零部件制造業中，碳纖維及其復合材料將具有極其廣闊的應用。

并且隨著目前對碳纖維及其復合材料在汽車零部件中的應用的進一步深入研究，未來的碳纖維汽車零部件必將趨于高性能化，汽車用的碳纖維零部件的成本必然會不斷下降，碳纖維汽車零部件的大批量、高效率生產工藝方法必然會得到進一步的完善和發展。因此在未來的持續發展中碳纖維及其復合材料完全可以取代金屬應用于汽車的零部件中，并且碳纖維在汽車零部件制造中的應用將繼續保持大幅增長趨勢。在如此龐大的市場需求之下，碳纖維汽車零部件這一細分市場必將有巨大的增長空間。

參考文獻：

[1] 張方超，楊建忠，喬卉，王勇.碳纖維及其復合材料在汽車行業的應用及展望[J].合成纖維，2013（6）：26-29.

[2] 羅益鋒.新能源汽車輕量化發展與碳纖維材料的開發趨勢[J].新材料產業，2015（2）：13-18.

[3] 王俊峰，馬祥林，張興龍，李超，齊蘇杰，劉小利，于浩.碳纖維在汽車輕量化中的應用[J].新材料產業，2015（2）：20-22.

[4] 張定金，陳虹.于今.汽車輕量化對碳纖維的需求[J].中國石油和化工經濟分析，2014（10）：30-33.

[5] 張紅英，歐陽八生.汽車輕量化之有效途徑—高分子材料的應用[J].模具技術，2014（5）：54-58.

[6] 肖文剛，何志華，董青海.碳纖維復合材料傳動軸設計與制造技術研究[J].玻璃鋼/復合材料增刊，2012：232-235.

[7] 竺鋁濤.汽車用碳纖維復合材料的發展歷程及應用[J].上海汽車，2013（11）：52-55.

[8] 張新元，何碧霞，李建利 等.高性能碳纖維的性能及其應用[J].棉紡織技術，2011（4）：269-273.

作者簡介：李建峰（1982—），男，陜西寶雞人，研究生學歷，畢業于西安交通大學，工程師，研究方向：同步器用摩擦材料、粘接工藝研發等。