汽車輕量化用碳纖維復合材料國內(nèi)外應用現(xiàn)狀

黃純可　余樂銘　劉楊生　陳帥宇　楊龍湖

摘 要：文章主要是分析了碳纖維及其復合材料的特性，在此基礎上講解了碳纖維復合材料在汽車輕量化上的應用情況，最后探討了其的未來發(fā)展前景，望可以為有關人員提供到一定的參考和幫助。

關鍵詞：碳纖維復合材料 汽車輕量化 應用現(xiàn)狀 發(fā)展前景

1 引言

當前人們生活質(zhì)量的提升，使得生態(tài)環(huán)境的污染程度逐漸變得越來越嚴重，為能夠有效治理和保護環(huán)境，輕量化的汽車產(chǎn)品是汽車行業(yè)研究生產(chǎn)的重點。在汽車生產(chǎn)的過程中應當有效確保到其的輕量化，才可以保證到汽車的輕量化。

2 碳纖維及其復合材料的特性

碳纖維是一種高強度、高模量的新型纖維材料，碳含量大于95%。它具有無蠕變、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)高、化學性能強等優(yōu)點。在惡劣環(huán)境下的應用中具有較強的競爭優(yōu)勢。廣泛應用于航空航天、風力發(fā)電、飛機制造等領域。近年來，他們不斷拓展體育休閑、汽車制造、工業(yè)機械、軌道交通、醫(yī)療保健、延伸裝備等領域。碳纖維增強復合材料是指碳纖維作為增強劑，樹脂，金屬，陶瓷等作為基材。碳纖維復合材料通常基于樹脂的碳纖維增強復合材料，碳纖維增強復合材料的密度遠低于傳統(tǒng)汽車的密度。金屬結構比鋼結構高出50%，其重量比鎂/鋁合金結構輕，直接影響車輛的節(jié)能，加速和制動性能。同時，碳纖維布的剛度和吸力不能低估，其碰撞可以達到鋼的6-7倍和3-4次鋁，這進一步確保了車輛的安全性;更高的減振可以提高噪音，振動和車輛聲音粗糙度的性能，并改善舒適性。

3 CFRP在汽車輕量化中的應用

按照美國能源部和其他部門和機構的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)車輛總重量將減少10%，燃料消耗將減少6%-8%，排放將減少5%-6%。可以看出，汽車輕量級是減少燃料消耗并保護環(huán)境的有效方法。碳纖維布的密度約為1.6g/cm3，這不到鋼的1/4。同時，它具有優(yōu)異的機械性能，環(huán)境耐候性，尺寸穩(wěn)定性，可設計性，高吸力效率和減震，并開發(fā)具有開發(fā)前景的輕質(zhì)材料。

3.1 車身構件

汽車車身部件是汽車最常見的部件，如引擎蓋，框架，屋頂框架，加強件，擾流板等。有碳纖維布，碳纖維布的強度高于剛度。在普通鋼的情況下，在相同的結構強度的條件下，由碳纖維增強復合材料制成的結構部件將鋼結構部件減少至約50%，它有效提高了汽車動力學的動態(tài)性能，尤其是賽車中體現(xiàn)的那些組件的動態(tài)性能。1992年，CFRP已用于超輕概念車輛的車身和底盤結構。車身的總重量約為191kg，重量為68%，節(jié)省40%。

3.2 輪轂

車輪是汽車中十分重要的部件之一。它既能承受到了整車的重量和載荷，又能克服驅(qū)動力和扭矩。因此，輪轂不僅要有較高的沖擊力，還要有良好的耐久性、耐熱性和安全性。碳纖維復合材料輪轂不僅能滿足整車輪轂的要求，而且在整車的輕量化方面也有很好的表現(xiàn)，rx-x高端轎車的碳纖維布輪轂重量僅為6kg，高速運轉，可以在最大程度上降低了車輪的徑向慣性功率;2013年瑞典Konnisec公司的Agera跑車配備了世界上第一個空心的碳纖維輪轂，可以減輕大約20公斤的重量，同時仍然可以確保良好的安全性和抗沖擊性。

3.3 傳動軸

碳纖維增強復合材料有著各向異性，高比強度和特定模量的特點，可充分用于傳動軸產(chǎn)品。與普通鋼相比，重量可以減少一半以上。在相同的重量和直徑的條件下，扭矩可以達到超過鋼的170%。此外，碳纖維傳動軸可以有效地減小傳動軸的重量，它將具有更好的疲勞性和耐用性。由豐田開發(fā)的碳纖維驅(qū)動軸不僅將重量減少一半，而且還具有更快的傳輸效率。GNK開發(fā)出碳纖維傳動軸，廣泛應用于奧迪A4和其他型號。

4 碳纖維復合材料的應用

在中國汽車工業(yè)的生產(chǎn)過程中，為可以更好地發(fā)展和實現(xiàn)碳纖維復合材料，在實際應用過程中仍存在許多問題，這影響了在此階段汽車復合材料的開發(fā)。其應用效果和最終實現(xiàn)，第一，中國汽車制造業(yè)的類型和數(shù)量也在越來越多，碳纖維復合生產(chǎn)能力非常出色。碳纖維復合材料的主要原材料是碳纖維和樹脂，我國的碳纖維復合材料需要大量進口，這與高速汽車生產(chǎn)的數(shù)量還是一致的，因此高進口的碳纖維復合材料，進口的碳纖維數(shù)量，它是一種輕量化的汽車生產(chǎn)方式，在實施過程中存在著很大的問題，廠家再將碳纖維復合材料應用于汽車上，也存在一定的問題。在國內(nèi)生產(chǎn)碳纖維復合材料的企業(yè)中，由于使用的原絲質(zhì)量比較差，工藝積累較少，生產(chǎn)出的碳纖維復合材料不能滿足汽車的質(zhì)量，當然近年來國內(nèi)碳纖維的質(zhì)量有了很大的提高，甚至滿足了國內(nèi)碳纖維的應用，實現(xiàn)了非進口碳纖維，但與出口國產(chǎn)碳纖維還有一定距離，因此影響了碳纖維復合材料與汽車輕量化的數(shù)量，也會在一定程度上影響了汽車工業(yè)的發(fā)展方向。然后，在使用過程中，很多汽車生產(chǎn)廠家不能明確地具體運用技能和使用工藝，導致汽車的工藝輕量化，雖然在最初的設計階段投入了更多的財力，但輕量化的應用效果和質(zhì)量無法保證，這就導致了汽車生產(chǎn)效果不佳，也會直接影響到了整個汽車制造企業(yè)的經(jīng)濟效益。最后，由于碳纖維復合材料是一種新型汽車生產(chǎn)材料，為可以保持原有生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)線的生產(chǎn)需要，以滿足各種型號的生產(chǎn)需要，如鋁、鎂等合金材料，因此也會在一定程度上影響到了碳纖維復合材料在輕量化領域的應用。與此同時，它還阻礙了碳纖維復合材料在汽車輕質(zhì)中的應用。與傳統(tǒng)材料相比，碳纖維復合材料的成本很高，國內(nèi)碳纖維復合材料制造供應商較少經(jīng)驗，缺乏大規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)驗，零件質(zhì)量的一致性低。在比較傳統(tǒng)材料和碳纖維復合材料的經(jīng)濟效益后，更多的人將為輕量級應用選擇傳統(tǒng)材料。

5 應用進展

5.1 國外

在20世紀50年代，碳纖維布被廣泛用作F1的材料。在科技和全球汽車工業(yè)的繁榮開發(fā)和全球汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，碳纖維布在汽車零件領域具有大的應用潛力。在改裝汽車和高性能跑車的過程中，碳纖維布的應用率越來越多。碳纖維布制成的85%的F1競爭，可以改善碳纖維增強塑料的生產(chǎn)過程。在20世紀80年代，高性能豪華車由碳纖維增強塑料制成。1992年，通用電機推出了一輛超輕概念車，使用碳纖維來加強塑料而不是鋼制機身和底盤組件。寶馬正引領碳纖維增強塑料進入大眾汽車，并成為大眾汽車領域的重要貢獻者。2014年，寶馬在2014年生產(chǎn)的I3、I8純電動汽車上大量使用碳纖維增強塑料材料，由于模塊化生產(chǎn)，汽車零部件數(shù)量超過傳統(tǒng)金屬零部件，汽車零部件數(shù)量減少了2/3，2015年7月，第六代寶馬7系正式投產(chǎn)，采用碳纖維布生產(chǎn)車身材料，并與高強度鋼和鋁完美結合。

5.2 國內(nèi)

與外國發(fā)達國家相比，中國在汽車部門的研究處在落后階段，這是相對落后的。它仍處于生產(chǎn)階段。然而，近年來，碳纖維生產(chǎn)技術的持續(xù)改善和生產(chǎn)規(guī)模的連續(xù)擴張已經(jīng)為國內(nèi)汽車碳纖維布，奇瑞汽車技術研究機構的開發(fā)奠定了堅實的基礎。將混合動力電動汽車Iruze7升級，這是由碳纖維復合材料制成的第一載體，其重量為218kg，金屬重量為48%。

6 發(fā)展前景

為可以使碳纖維復合材料在汽車輕量化實施中得到更廣泛的應用，汽車生產(chǎn)企業(yè)的相關管理人員和技術人員應按照存在的問題和現(xiàn)狀，在這一應用階段采取相應的措施：一是為可以保證碳纖維復合材料的使用，汽車的重量比較好，為可以提高汽車制造企業(yè)的經(jīng)濟效益，相應的技術人員必須制定合理的使用工藝和使用規(guī)范，保證碳纖維復合材料的使用，不會造成碳纖維復合材料的報廢，同時也有效的提高到了碳纖維復合材料的使用性能。為可以提高汽車的性能并改善汽車制造商的整體形象，有必要在碳纖維復合材料采購期間進行嚴格的檢查，這可以滿足生產(chǎn)過程中汽車的標準和規(guī)格。原材料的性能檢查應從汽車制造商的管理和技術改進。除了保證更有效的碳纖維復合材料的使用外，相關的政府部門還應制定支持，鼓勵汽車制造商使用國內(nèi)大碳纖維。這樣，我們只能確保中國更多的汽車制造商可以關注發(fā)展。制定合理的扶持政策既要體現(xiàn)在資金支持上，也要體現(xiàn)在碳纖維復合材料國內(nèi)原材料的應用和推廣上，確保汽車能夠更順利地使用碳纖維復合材料，提高整個汽車生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率，積極采用碳纖維復合材料作為汽車制造過程的原材料，最后為可以保證汽車制造過程中使用的碳纖維復合材料的質(zhì)量，有必要明確碳纖維復合材料的實際生產(chǎn)工藝，且應當大力推進綠色能源的生產(chǎn)。專注于碳纖維復合材料的生產(chǎn)企業(yè)，使碳纖維復合材料的生產(chǎn)符合輕質(zhì)應用的要求，考慮碳纖維的再循環(huán)，并創(chuàng)造一個完整的生態(tài)回收鏈。

7 結語

由上可知，實現(xiàn)輕量化是當前汽車生產(chǎn)企業(yè)的重要發(fā)展戰(zhàn)略，其主要是通過實現(xiàn)汽車輕量化有效的降低到對環(huán)境的污染，為此企業(yè)應當不斷研究和采用到了新型的復合材料，才可以確保到汽車生產(chǎn)企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)汽車輕量化。

參考文獻：

[1]王茂章.碳纖維及其復合材料[J]. 新型碳材料，1989（04）：5-11.

[2]賀福，王茂章.碳纖維及其復合材料[M]. 科學出版社，1995.

[3]邢麗紅，周長友.地理信息系統(tǒng)在國內(nèi)外應用現(xiàn)狀[J].大科技·科技天地，2011，000（006）：155-156.

[4]王文明，潘復生，曾蘇民.碳化硅顆粒增強鋁基復合材料開發(fā)與應用的研究現(xiàn)狀[J].兵器材料科學與工程，2004，27（3）：61-67.

[5]趙稼祥.碳纖維復合材料在民用航空上的應用[J].高科技纖維與應用，2003，28（3）：1-4.

[6]唐見茂.碳纖維樹脂基復合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望[J].航天器環(huán)境工程，2010，27（003）：269-280.