碳纤维汽车.doc

碳纤维在汽车领域的应用作者： 杨 野 班级： 材料04 学号：2010021102摘要：本文首先介绍了碳纤维及其复合材料的发展概况，简要介绍其性能特点。随后简介了碳纤维制作车壳的工艺流程。最后叙述了碳纤维在具体汽车领域的实际应用。关键词：碳纤维 复合材料 汽车工业碳纤维(CF)是纤维状的碳素材料,含碳t在90%以上.它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得,具有十分优异的力学性能。特别是在2000以上高温惰性环境中,是强度唯一不下降的物质。碳纤维和碳纤维增强复合材料(CFRP)做为二十一世纪的新材料,因其高强度、高弹性模t和低比重性能,在汽车上迅速得到广泛的应用.无论是在车辆外观件、发动机舱内、车内门板或是饰板等,皆可以看到碳纤维的应用。随着其在汽车上应用的增多,专家指出,在未来5年碳纤维将推动汽车工业的变革。1 碳纤维及其复合材料的发展概况基于宇航领域对高强度、高模量、低密度材料的迫切需求，日本人A. Shindo于20世纪50年代首先发明了用聚丙烯腈纤维（PAN）制造碳纤维；20世纪60年代出现了力学性能优异的聚丙乙烯腈（PAN）基碳纤维；20世纪70年代开始生产中间相沥青基碳纤维，其模量更高。PAN基碳纤维是目前产量最大（约占全部碳纤维产量的90%）的一种碳纤维。各向同性沥青基碳纤维虽然原材料便宜，但性能差；中间相沥青基碳纤维性能优异，但工艺过程复杂，因而价格较高。按纤维力学性能分类，可分为通用基碳纤维（GP）和高性能碳纤维（HP），其中高性能碳纤维包括中强型（MT）、高强型（HT）、超高强型（UHT）、中模型（IM）、高模型（HM）、超高模型（UHM； E 4 5 0 G P a ）通常PAN基碳纤维的强度高，中间相沥青基碳纤维的模量高。各向同性沥青基碳纤维和一些PAN基碳纤维属于通用级碳纤维。含碳量高于99 %的碳纤维又称之为石墨纤维。2.碳纤维的性能性能预氧化纤维碳纤维石墨纤维标准模量中间模量高模量超高模量弹性模量/GPa4230-241290-297345-448392-827抗拉强度/MPa2703450-48303450-62003450-53503100-2700断裂伸长率/% 6.71.5-2.21.3-2.00.7-1.00.5-0.27电阻率16501450900220-890热导率/W(mK)-1202050-8084640轴向膨胀系/10-6K-0.4-0.55-0.75-1.44密度/gcm-11.39-1.501.81.81.91.81-2.18碳含量/%6495959999碳纤维直径/m6-85-65-85-8生产厂商BPAmocoBPAmoco、Hexcel、Mitsubishi、Rayon、Toho、Toray、Tenax、Soficar FormosaBPAmoco高模量碳纤维有很好的择优取向。热处理温度和碳纤维种类对择优取向有明显的影响。热处理温度越高，择优取向角度越小。中间相沥青基碳纤维通常比PAN基碳纤维更易于获得高取向、高模量。超高模量碳纤维通常由中间相沥青基碳纤维制备。有的模量已达900 GPa。中间相沥青基碳纤维模量高，但其强度不如PAN基碳纤维。因为中间相沥青基碳纤维石墨化程度高，对缺陷（杂质、空穴等）敏感。即使其弹性模量接近单晶石墨，强度与理论值的差别也很大。碳纤维有明显的各向异性，径向方向的强度和模量远低于轴向方向。在复合材料的设计中，纤维方向应设计成承载方向，从而发挥碳纤维轴向的优异力学性能。碳纤维轴向方向的热导率很高、线膨胀系数很低，在常温下为负值。利用这一特点制成的复合材料的线膨胀系数在一定的温度范围内接近于零，因而特别适合那些尺寸稳定性要求极为严格的场合。碳纤维沿轴向的电阻率很小，有时利用其导电性，将其用于电磁屏蔽、消除静电等。碳纤维径向方向力学性能差，导电和导热性能也差。碳纤维耐多种酸、碱及有机溶剂的腐蚀。碳纤维在2 000 以上的惰性气氛中仍具有室温下的强度，但其耐氧化性能差，500 以上就发生明显氧化，因而高温氧化气氛中使用的碳纤维或其复合材料应采取有效的防氧化措施。碳纤维的摩擦性能好，由碳纤维制备的C/C复合材料和C/SiC复合材料可作为摩擦材料用于飞机制动片、汽车制动片及离合面片。碳纤维比表面积大，经适当的化学处理制作的活性碳纤维是一种非常好的吸附材料。3.碳纤维在汽车上的应用在汽车车身、底盘上的应用由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度,其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减重4060%,相当于钢结构重量的1/3-1/6。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究,结果表明碳纤维增强聚合物材料车身重172kg,而同样车型的钢制车身重最为368kg,减重约50%。并且当生产t在2万辆以下时,采用树脂传递模塑(RTM)工艺生产复合材料车身成本要低于钢制车身。在制动摩擦片上的应用碳纤维还因为其环保、耐磨的特点而应用在制动摩擦片上,但含有碳纤维复合材料的产品都格外贵,所以目前这种制动摩擦片还主要应用在高档轿车上。碳纤维制动盘被广泛用于赛车上,例如F1赛车上。它能够在SOm的距离内将汽车的速度从300km/h降低到SOkm/h,此时制动盘的温度会升高到900以上,制动盘会因为吸收大量的热能而变红。碳纤维制动盘能够承受2500的高温,而且具有非常优秀的制动稳定性。虽然碳纤维制动盘具有卓越的减速性能.但是目前在量产的汽车上使用碳纤维制动盘却并不实际,因为碳纤维制动盘的性能在温度达到800以上时才能够达到最好。也就是说,必须在行驶了数公里之后,汽车的制动装置才能进入最佳工作状态,这对于大多数只是短途行驶的车辆并不适用。在轮毅上的应用英国Kahm公司使用CFRP制造的RX-X型高级轿车专用车轮,重量仅为6kg,可高速行驶,并可最大限度地降低车轮的径向惯性力。由英国O丫MAG公司开发的世界最轻碳纤维/镁车轮由碳纤维轮辆和镁制动盘两部分组成,并用镀钦的特殊硬件连接起来。在燃料贮罐上的应用采用CFRP可以在满足要求的条件下实现压力容器的轻量化。随替环保汽车(Eco-car)的开发,以氢为燃料的燃料电池汽车使用CFRP材料制作燃料贮罐已为市场所接受。4.碳纤维车壳制作流程阳模阴模车壳（一）、做车壳阳模（木板加雕塑泥）：1.购买木块，强力胶和雕塑泥。2.打印出车壳n个长轴纵断面（这里仅以前环往前部分为例，截面的相关尺寸按1：1长度，截面的个数根据具体情况而定），在木块上画出轮廓，再根据车壳纵断面图形进行切割，用强力胶将木块组装定型。3.用雕塑泥填上空隙并铺上表面，根据设计的车身尺寸制作卡环，再用卡环刮出阳模模型。（二）、通过阳模导出车壳阴模（玻璃纤维）：1.准备好玻璃纤维布、191c树脂、蓝水、白水、刷子等。2.在做好的阳模上铺上一层玻璃纤维布并均匀刷上191c树脂，重复三次，凝固后脱模，修理边缘。水磨、抛光处理备用。（三）、通过阴模制作碳纤维车壳：1、准备好地板腊、聚乙烯醇、碳纤维布、可渗透性布料、导流网、丁基双面带、E-44环氧树脂、T-31固化剂、真空泵、软管、螺旋管、接头和聚酯薄膜。2.把阴模固定好，用接头将软管和螺旋管连接好备用（a、b两个）3.清理模具，刷上地板蜡（不粘涂层、密封模具），用胶带粘好边缘（防止喷上不沾涂层），再喷聚乙烯醇（不沾黏）。4.将碳纤维布喷上黏胶（聚乙烯醇）铺在模具上，重复7次（7层依据具体情况而定），再将可渗透性布料铺在碳纤叠层上，接着铺上导流网，边缘贴上丁基双面胶。5.将a连接管的软管接到真空泵，螺旋管环绕固定在阴模边缘（胶带内侧），b连接管的螺旋管固定在模具底部，用聚酯薄膜覆盖模具并粘住边缘的双面胶，边缘要有褶皱，让塑料袋内空间宽松，褶皱压进阴模表面，启动真空机，同时用T-31固化剂活化E-44环氧树脂，再将b连接管的软管插入树脂中，待零件成形即可。6.固化后可取出，修理好多余部分和外表面。7.打磨、抛光，刷腻子粉，待喷漆。5碳纤维在具体汽车工业上的应用梅赛德斯-奔驰SLR迈凯轮为全球率先采用碳纤维制成的前端碰撞缓冲构件的量产轿车SLR的车身壳体、车门和发动机罩均由耐腐蚀的碳纤维复合材料制成，主体结构的重量降低了30%左右两个圆锥形碳纤维构件，每个大约620毫米长，重量仅为3.4公斤。 碳纤维梁用螺栓固定于发动机悬置件的铝质结构上，其前端通过碳纤维复合材料制成的横梁和水平夹层板与车身壳体结构的其余部分相连接。宝马公司采用CFRP零部件2009年10月，宝马集团宣布与全球领先的碳素石墨材料及相关产品制造商德国西格里集团共同出资成立合资公司，生产用于汽车工业的碳纤维和碳纤维织物，主要用于大型车辆中。宝马集团表示，碳纤维将在未来汽车结构中占有重要地位。宝马集团多年前就在其车辆上应用了复合材料和碳纤维织物。M系列车型的屋顶采用了赫氏公司的HexForce NC2碳纤维增强材料，拥有无卷曲产品专利制造技术，该技术使用单向带满足产品所需的强度和刚度。除了NC2以外，赫氏公司还为宝马公司生产HexForce PrimeTex 3K展开织物。该产品主要用于汽车顶部外壳。赫氏公司独一无二的碳纤维编织技术与新型展开技术相结合，能够充分满足宝马公司对车辆审美的高标准要求。三菱将CFRP与兰博基尼完美结合十几年前，CFRP原材料就已被应用到赛车和高端超级跑车上，并且赛车制造商表示，会在今后继续加大对CFRP在高端车辆上的应用。兰博基尼Murcielago12缸运动跑车大量采用了CFRP（占总重量的31%）。包括：车身，底盘，传动轴通道，车轮罩和保险杠。应用CFRP，使兰博基尼在简约和轻量化之间找到了很好平衡。6.5升排量、12只气缸、48个阀门和8000转速；相应的670马力、3.2秒加速时间、和342公里/小时极速。业内人士表示，目前兰博基尼在车辆制造中已经逐渐摆脱了对半固化片到模压成型以及RTM的生产工艺。雷克萨斯的碳纤维之路雷克萨斯公司表示，LFA的CFRP部件在制造过程中采用了三种不同的成型工艺：第一步，预浸料采用手糊工艺，形成车身主框架；第二步，采用热固性树脂浸润坯料，生产传输轴通道，驾驶室底板，车顶和引擎盖；第三步，模压过程。使用短碳纤维增强SMC片材为原料。除此之外，雷克萨斯公司还将碳纤维用于车底分流器，速度控制尾翼和内饰组件，有助于减少车身更多重量。雷斯卡斯LFA超级跑车运用了多种前瞻科技，打造高强度、超轻量的车身。最新运用的碳纤维增强塑料(CFRP)，不但能够实