碳纖維復合材料汽車零部件開發與應用前景

黃培琦

【摘要】：為適應汽車輕量化以實現節能減排的社會潮流，各大車企和科研單位對復合材料的研究突飛猛進。由于復合材料具有高強度、耐腐蝕、隔熱和耐磨等優異特點，復合材料必將在汽車輕量化的道路上扮演重要角色，以其特有強度、剛度及相對重量輕等特性，代替傳統鋼材鋁合金材用于汽車的各個零部件。復合材料可以應用于眾多零部件，如汽車骨架、底盤、保險杠、傳動軸和板簧等主承力零部件;發動機罩、行李箱蓋、頂蓋、后翼子板和側圍等車身覆蓋件;儀表板、車門內板等汽車內飾件。本文收集并研究了國內外復合材料在汽車上的應用以及復合材料優化技術在汽車領域的應用。

【關鍵詞】：碳纖維復合材料;汽車零部件;開發與應用

引言

碳纖維復合材料具有強度大、可設計性強等優良性能，在汽車、航天航空等領域得到了快速的發展。在輕量化形勢下，碳纖維復合材料正得到許多飛機、汽車制造廠商的關注，這種材料相比于其他金屬等材料顯得更加的有潛力。復合材料優化技術在結構輕量化的領域中嶄露頭角。優化技術在滿足零件實現功能的前提下優化結構，使結構得到簡化，實現汽車零件的質量得到減輕，從而實現輕量化設計。

1、碳纖維復合材料在汽車上的開發現狀

碳纖維復合材料具有強度高、模量高、耐腐蝕性好等諸多優異性能，幾十年來，由于對該復合材料的研究不斷深入，為了充分發揮該材料的力學性能，復合材料在汽車等領域得到了大范圍的應用，不管是在車身、懸架擺臂結構、傳動軸等都可以看到碳纖維復合材料的應用，復合材料己經成為輕量化家族中重要的一員。

碳纖維復合材料首次被應用是在汽車領域，世界上首輛全車身復合材料汽車雪佛蘭于1953年在美國誕生，這一舉措代表著復合材料作為一種新型材料，在汽車上得到了真正的應用。

早在2004年的歐洲就啟動了TECABS的項目，一共花費了4年的時間完成了這個項目。該項目的就是想通過使用碳纖維復合材料來減輕汽車的質量，成本低和低能耗是各個廠商所要追求的目標。許多廠商、研究所也都相應參加了這個項目，其中比較知名的企業包括雷諾、奔馳、保時捷等，還有來自瑞士、英國等的研究機構。2009年，賽車企業蘭博基尼和波音公司研制出了碳纖維復合材料汽車車身及其他的零部件。

國內外的一些研究機構正在聯合企業和學校，大力發展碳纖維在汽車上的應用。國內的一些廠商大量改造汽車上的零部件，將能用復合材料替代的都給替換了，現在汽車上的各個零部件都正逐步采用碳纖維復合材料，比如輪毅、電池箱殼體、發動機罩、保險杠等。2003年，美國一家汽車公司展出Dodge ViperSRT汽車，車身包括內部的擋板等結構都統一采用碳纖維復合材料。

2、碳纖維復合材料汽車零部件開發與應用前景

2.1蓄電池箱殼體中的應用

碳纖維復合材料是目前最有市場前景的材料之一。該材料的用途也比較廣，汽車、航天航空、軍事化裝備等領域，是其他一些材料無法比擬的。以前針對不同的市場條件選用不同的材料，比如一些瓷器的包裝，就要用木質的箱子裝，因為木制的箱子質地稍軟，可以一定程度上保護瓷器受到外界的破壞，但是木質的箱子也有質量較重、易潮濕、運輸不方便的等缺陷;鋁合金材料的外包裝盒，雖然這種材料比較輕，容易攜帶，但是造價高是致命的缺點等?；蛟S是因為這些材料的不同的缺點才可以顯示出復合材料在不同的領域的優勢，而市場上的那些木質等材料會逐漸被這些性能優異的材料所取代。因此對于蓄電池箱殼體的優化設計，選用合適的材料顯得十分重要。

基體材料是復合材料中起傳遞作用的組成部分，它影響了復合材料的力學性能。樹脂基體有很多優點，具體表現在工藝性和綜合性能較好。選用基體時需要考慮該材料的力學性能，同時還需考慮低成本制造。

增強材料是復合材料中的重要材料，它可以提高材料的彈性模量，選用時需要去想很多因素。材料在滿足正常使用的同時，需考慮其使用壽命的長短、強度的大小等因素。為了可以降低成本的，使用性能好的材料變成了設計的關鍵因素，所以在選擇材料時要對比剛度、強度等條件，從而確定纖維的種類。碳纖維的性能各方面比較優越，軸向強度高和耐高溫特點為加工提供了條件，T300增強復合材料的性能相對穩定，并且具有公開的數據，最重要的特點是價格低廉。

目前環氧樹脂5208和T300增強復合材料的結合較成熟。所以本文采用這樣的結合作為分析結構時所采用的材料。

2.2碳纖維復合材料懸架擺臂中的應用

汽車的懸架擺臂結構對汽車平穩行駛有相當程度的影響。汽車懸架擺臂是由兩個橫臂組成的獨立懸架結構，具體的說是由上控制臂、下控制臂和減震器組成的。上下兩個控制臂可以消除掉在橫向方向上的力，這就減輕了減震器的壓力，而減震器只需承受上下方向的力，所以在彎路較多的路面上行駛時操控就變得容易了很多。懸架系統是汽車行駛過程中是不停歇的，該系統中的結構越輕，則相應的部件響應的速度就會越快，那么減震的效果就會越好。

擺臂是汽車結構中的受力件，如用碳纖維復合材料來制造擺臂，需要用用力學性能更優良的的熱固性碳纖維材料。熱固性復合材料不能加工太復雜的結構。擺臂有三個連接部位，除了圓圈類的軸銷外，另外兩個連接部分銷孔和與球鉸連接的焊接孔，都可以通過鋪層方式實現熱固性長絲纖維的制造。而銷孔這個連接，只能通過以下兩種方式去實現。改變連接形式或利用飛機上面的耳軸連接（鑲嵌金屬軸）。基于從成本的考慮，可以改變連接形式去實現去車架的連接。

3、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。

結語

總之，隨著經濟的不斷發展和交通系統的全面完善，汽車產業己經得到了飛速發展，復合材料也越來越多地在汽車上得到了應用，輕量化的理念己滲透人心，對汽車上的復合材料零件進行輕量化設計是未來幾年內汽車行業的發展趨勢和重要的發展前景。到目前為止，己經有相當部分企業將復合材料投入到汽車的各個零部件，同時優化設計的理論和研究的方法都摻雜在設計的過程當中。因此，更深入的研究優化設計方法對現在的發展趨勢具有相當程度的理論價值和現實意義。

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