碳纖維材料在汽車上的應用及發展趨勢探討

陳小龍 李奮杰

摘 要 新時期環境下，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迅速發展，同時現階段汽車工業也是國家支柱產業類型。在汽車的發展中，輕量化逐漸成為了其發展的目標之一，而碳纖維材料具有著顯著的性能，在汽車中的運用就具有很大的運用前景，本文就針對碳纖維材料在汽車上的應用及發展趨勢進行探討，對碳纖維材料的使用進行深入的了解。

關鍵詞 碳纖維材料 汽車行業 發展趨勢

中圖分類號：TQ327.3文獻標識碼：A

0前言

隨著人們生活水平的提升，汽車逐漸進入到了普通家庭，2019年我國上半年的機汽車保有量就達到了2.5億輛，巨大的保有量帶來了能耗和生態環境等問題。汽車行業要想實現長遠發展，需要其做好對能源消耗的控制以及生態環境的保護。而碳纖維作為一種纖維狀碳素材料類型，力學性能十分優異，質量密度相對于現有的金屬材料也有很大的優勢，對汽車材料重量及能耗實現了有效節省，這就需要汽車行業認識到其材料的價值，積極進行汽車上的應用，這對汽車行業可持續性發展具有重要的意義。

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，此材料是通過有機纖維實施石墨化以及碳化的處理后獲取，此材料含碳量占到無機性高分子的纖維90%的比例。根據微觀方面分析，這種材料的結構和人造的石墨結構較為類似，呈現亂層石墨的結構類型。碳纖維是一種新型的增強型的纖維，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。通過把碳纖維和玻璃纖維以及凱芙拉的纖維實施對比，發現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用優勢

碳纖維的材料具有著諸多的優勢，主要包括較好減重效果、高安全性、強度和硬度大、節能效果好等。在減重效果方面，碳纖維具有質量輕特點，汽車鋼鐵的材料占到車體3/4的質量，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，就能夠實現汽車的輕量化生產，通過碳纖維的復合材料能夠達到超過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，主要是因為碳纖維呈尖塔狀且潰縮柱是無數個粗壯碳纖維而構成的，結構十分堅固，在材料和工藝合理設計后，當發生正面的碰撞時，會破碎成很多細小型碎片，對大量碰撞能量進行吸收，實現對汽車安全性的提升。在硬度和強度方面，碳纖維的強度超過20倍鐵的強度，且硬度超過10倍鋼材的硬度。在節能效果方面，同一車型，碳纖維的材料生產的汽車和鋼結構的汽車比較，同樣體積燃油要比鋼結構的汽車行駛里程多出50km，實現了對燃油效率的提升。

3碳纖維材料在汽車上的應用

3.1車身與底盤

因為碳纖維的材料具有很好的強度和硬度，因此在汽車的車身與底盤等結構件的制作中比較適合使用。通過碳纖維的復合材料使用，能夠實現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，實現了68%的減重。同時碳纖維制作的引擎蓋以及碳纖維的復材車頂，還能夠對汽車駕駛的性能進行提升。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，還大幅實現對車輛重心的降低，進而提高汽車動態的穩定性;且斯巴魯的WRX STItS通過碳纖維復合材料進行車頂的制作，和鋼板相比實現80%的減重。由于現階段汽車碳纖維材料的量產成本太高，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行使用。

3.2輪轂

在碳纖維的輪轂中，主要對外環通過碳纖維的材質制作，而其內轂則是輕量型合金，并和不銹鋼類型螺絲搭配而成，其比同樣尺碼輪轂的質量約輕40%，同時輪轂通過碳纖維的材料使用，還能夠最大限度實現對車輪徑向的慣性力降低。英國的Kahm公司就通過碳纖維復合材料進行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，還能夠對車輪徑向的慣性力進行降低。

3.3剎車片

碳纖維的材料有著環保性和高溫度的耐磨性等特點，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，剎車片因為吸收了大量熱能會變得很紅，也常見一些汽車由于長時間的制動而導致剎車片高溫情況，進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，則制動盤往往能夠對高溫2500℃實現承受效果，且制動的穩定性也十分優秀。

3.4后座椅的骨架

在傳統汽車進行后座的椅骨架制作中，一般都是通過鋼制成的，使用碳纖維的復合材料對傳統鋼材料實施代替，就能夠對汽車座椅的質量實現有效的減輕，實現座椅的輕量化，從而達到減重的效果。在對碳纖維的后座椅塑料成型處理中，因為碳纖維的材料呈現的主要方式為短纖維，和碳纖維的復合材料比較，發現這種短纖維結構的強度比較低，所以通過碳纖維的復合材料進行產品的制作，能夠有效提升后座椅的骨架耐受沖擊性、高疲勞、高強度和耐腐蝕性等性能。

3.5汽車內飾

在碳纖維的材料使用中，不僅僅用在車身方面，對一些汽車內飾也比較適用。通過碳纖維的材料能夠對金屬內飾材料進行代替，比如把皮子、鋁以及碳纖維的材料用在車廂的各個位置，就能夠形成典雅以及運動特性。同時根據此材料具有良好的安全性、裝飾性和輕量化等優點，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，能夠達到壓力容器輕量化的效果。近年來，環保汽車受到的廣泛關注和開發，將氫當作燃料的電池類型汽車也逐漸通過碳纖維的材料進行燃料貯罐的制作，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

聚丙烯腈的預氧化絲主要是通過丙烯腈系的纖維進行碳纖維的制造中所產生中間的產品，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用。比如，通過混有一定聚丙烯腈的預氧化纖維非織的造布面料當作引擎蓋的隔音、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，在汽車進氣的系統中，通過碳纖維的使用，自空氣的濾清器至進氣導管都通過純碳纖維的材質進行圓柱狀的集氣筒制造，由于其具有量輕和隔熱等特點，則進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展趨勢

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

5結語

綜上所述，碳纖維的材料具有著顯著的特點，其在汽車制造中的使用有效的提升了汽車性能，但在實際的運用中仍然還存在一定的局限性，因此，汽車行業一定要認識到碳纖維材料的使用價值和發展前景，積極對此材料進行開發和研究，這也是汽車行業發展中需要重視的領域之一。

參考文獻

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