碳纤维增强复合材料在汽车上的应用终结版综述

千里之行，始于足下。第2页/共2页精品文档推荐碳纤维增强复合材料在汽车上的应用终结版综述碳纤维增强复合材料在汽车中的应用

摘要

随着汽车工业的飞快进展，减少燃料消耗和落低对环境的污染已成为汽车工业进展和社会可持续进展急需解决的关键咨询题。汽车的燃料消耗和二氧化碳废气的排放量与汽车分量存在紧密的关系，寻觅较轻且性能良好的材料代替钢制汽车零件成为一具重要的研究方向。碳纤维增强复合材料具有强度高、分量轻、耐高温、耐腐蚀、热力学性能优良等特点，碳纤维增强复合材料用于创造汽车车身、发动机零件等，可有效落低汽车自重并提高汽车性能，是当前汽车材料轻量化的重要研究进展方向之一。本文介绍了碳纤维增强复合材料的特点、成型工艺及在汽车行业的应用事情，以及碳纤维增强复合材料在汽车应用中存在的咨询题。

关键词：碳纤维增强汽车应用

1前言

如今社会汽车已成为人民出行必别可少的交通工具，在汽车给人类带来方便的并且也给环境带来了污染，汽车的燃料消耗和二氧化碳废气的排放量与汽车分量存在紧密的关系，美国能源部相关研究表明，美国现有的汽车，如减重25％，每天可节约750,000桶燃油，每年二氧化碳的排放量可减少1.01亿吨，所以汽车轻量化已成为汽车工业技术进展的重要方向。除了对汽车各种零部件结构举行优化设计和改进外，采纳高性能轻质材料是实现汽车轻量化的一条重要途径。如选用铝、镁、钛、高强度钢、工程塑料和复合材料等，用以创造汽车车身、底盘、发动机等零部件，能够有效的减轻汽车自重，提高发动机效率。

碳纤维增强复合材料(CarbonFibre-reinforcedPolymer,简称CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料，是目前最先进的复合材料之一。它以其质量轻、强度高、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗腐蚀材料，是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，是创造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料，并且也受到汽车工业广泛重视，碳纤维增强复合材料在汽车方面要紧是汽车骨架、缓冲器、弹簧片、引擎零件等，早在1979年，福特汽车公司就在实验车内作了试验，将其车身、框架等160个部件用碳纤维复合材料创造，结果整车减重33％，汽油的利用率提高了44％，并且大大落低了振动和噪音。

碳纤维具有比重小、强度高、模量高、耐腐蚀等特点，可用于创造碳纤维增强聚合物、金属、陶瓷基复合材料，是先进复合材料最重要的增强体。碳纤维增强复合材料用于创造汽车车身、发动机零件等，可有效落低汽车自重并提高汽车性能。本文将简述碳纤维增强复合材料的性能特点，及其在汽车工业应用的前景和存在的咨询题。由于碳纤维增强复合材料的价格昂贵，严峻妨碍其在汽车工业中的应用。所以，进展便宜的碳纤维和高效率碳纤维增强复合材料的生产办法和工艺已成为汽车轻量化材料研究中的关键课题，美国、日本等已将其列为汽车轻量化材料的研究打算。

2碳纤维增强复合材料的特性

碳纤维增强复合材料以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以碳或石墨化的树脂作为基体。复合往后的这种材料在高温下的强度好，高温形态稳定，升华温度高，烧蚀凹陷性，平行于增强方向具有高强度和高刚性，能抗裂纹传播，可减震，抗辐射。

碳纤维增强复合材料的成型加工技术包括碳纤维的坯体创造、碳基体的创造和基体与纤维的复合。首先，将碳纤维或碳纤维织物制成坯体，依照原料形式别同分为：长纤维缠绕法；碳毡短纤维模压或喷射成型；石墨布叠层。目前，其坯体研制以三向织物为主，三向织物以X、Y、Z方向互成90度正交罗列，各方向的碳纤维在织物中保持准直，所以能较好的发挥纤维的力学性能。其次，制作复合材料的基体。碳-碳复合材料的基体有树脂碳和热解碳两种，树脂碳是由合成树脂或沥青经碳化和石墨化获得，热解碳是由烃类气体的气相沉积获得。最终，把坯体与基体复合成型。

碳纤维增强复合材料的特性要紧表如今力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。

（1）具有非常高的强度和弹性模量（刚性）。它的比重普通为1.70～1.80g/cm3，密度低（1.7g/cm3左右）在承受高温的结构中，它是最轻的材料；高温的强度好，在2200oC时可保留室温强度，强度为1200～7000MPa，；有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性；而且拉伸强度和弹性模量高于普通的碳素材料。纤维取向明显妨碍材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”即在施加载荷初期呈线性关系，后来变成双线性关系，卸载后再加载，曲线仍为线性并可达到原来的载荷水平。

（2）热膨胀系数小，比热容高，能储存大量的热能，导热率低，抗热冲击和热摩擦的性能优异

（3）耐热烧蚀的性能好，热烧蚀性能是在热流作用下，由于热化学和机械过程中引起的固体材料表面损失的现象,经过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻挠热流入材料内部。

3碳纤维增强复合材料在汽车行业的应用事情

碳纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，是创造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料。由于碳纤维增强聚合物基复合材料有脚够的强度和刚度，它也是适用于创造汽车主结构――车身、底盘最轻的材料，受到汽车工业广泛重视。要紧的应用有：发动机系统中的推杆、连杆、摇杆、水泵叶轮，传动系统中的传动轴、离合器片、加速装置及其罩等，底盘系统中的悬置件、弹簧片、框架、散热器等，车体上的车顶内外衬、地板、侧门等。自从1953年第一辆全复合材料车身的汽车咨询世以来，复合材料在汽车内的应用别断增多。现在在汽车车身、尾翼、汽车底盘，发动机罩、汽车上饰等各个地点我们都可以发觉碳纤维复合材料的身影。

碳纤维增强复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻分量40～60％，相当于钢结构分量的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举行研究，结果表明碳纤维增强聚合物材料车身重172kg，而钢制车身分量为368kg，减重约50％。但由于碳纤维成本过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限，仅在一些F1赛车、高级轿车、小批量车型上有所应用，如BMW公司的Z-22的车身，福特公司的GT40车身、保时捷GT3承载式车身等，碳纤维增强复合材料以其优异的性能取得了飞快进展同时在社会各领域得到了越来越广泛的应用.增强纤维作为纤维增强复合材料的一具重要组分,其性能怎么将直截了当妨碍着复合材料的应用层次,而且高性能增强纤维作为高竞争性、高赢利性品种向来是世界各大生产商乐于巨额投资的研发项目品种,它的进展及其在先进复合材料中的习惯程度在目前乃至未来都有许多值得探究的地点.在先进复合材料中,碳纤维增强复合材料是目前最常应用的高性能增强纤维之一，碳纤维复合材料具有脚够的强度和刚度以及优良的综合性能，它的应用将可大幅度落低汽车自重达40～60％，对汽车轻量化具有十分重要的意义，已成为汽车轻量化材料的重要进展方向。为提高碳纤维增强复合材料的用量，美国、欧洲、日本等经过加紧研究便宜碳纤维的原丝（高品级聚丙烯晴丝）和碳纤维的低成本、高速率的生产工艺，使碳纤维的价格落低到约3美元/磅。目前碳纤维增强

复合材料已用于赛车、重卡、混合动力车的各种零部件的生产。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重别到钢的1/4，抗拉强度却达到钢的7-9倍，以其创造的汽车能够节省燃油30％。碳纤维最初只应用于军事、航空航天等高科技领域，随着近年来碳纤维行业的逐步进展，才渐渐向汽车以及其他民用领域扩展。

1992年通用汽车公司介绍了超轻概念车（UltraliteConceptCar），该车的车身采纳碳纤维复合材料，由手铺碳纤维预浸料工艺创造，整体车身的质量为191kg。用碳纤维取代钢材创造车身和底盘构件，可减轻质量68%，从而节省汽油消耗40%。

丰田设计的“1/X”混合动力车，由于车身骨架采纳碳纤维材料，制造出百公里耗油仅2.7升的超低燃耗记录。此外，三菱EVOX极致轻量化的车身改造，均缘于大量碳纤维套件的使用，如牌照框、导风罩、散热孔罩等构件均采纳碳纤维材料。

卓尔泰克（Zoltek），是美国碳纤维率先创造商，已成立一具新的子公司，称为ZoltekAutomotive（卓尔泰克汽车公司），加快对轻质碳纤维在汽车业大幅应用的领域。那个新子公司将由两位在汽车复合材料应用方面德高望重的专家领导，并有超过12名来自卓尔泰克已有业务中的工程技术人员及其面向全球的销售人员加盟。

卓尔泰克公司董事长兼首席执行官ZsoltRumy表示：“我们向来把汽车行业看作是我们的低成本、高性能碳纤维的最大的一具潜在市场。尽管我们已积极开辟车用碳纤维非常多年了，ZoltekAutomotive的成立则是我们将产品开辟与潜在市场需求更密切联系的一具新的开始。我们将经过ZoltekAutomotive的专业技术，开辟新的生产方式，帮汽车行业客户创造性价比更高的碳纤维加工产品，使碳纤维技术的应用和流程更简易高效。”

日本帝人集团的总裁，也同样对进军碳纤维市场充满信心，以为经过将来几年在车辆中使用碳纤维增强塑料（CFRP），可以帮助电动汽车车身减重一半以上。

碳纤维复合材料具有比金属材料更高的刚性和抗冲击性能，还具有极佳的能量汲取能力，进一步保证了碳纤维复合材料汽车的安全性。据介绍，

碳纤维复合材料的能量汲取能力比金属材料高4-5倍左右。数年来，F1车队向来采纳碳纤维复合材料创造其赛车的碰撞缓冲构件，从而显着减少了这顶级汽车运动项目中的重伤事故。

4碳纤维增强复合材料在汽车中的应用存在的咨询题

尽管碳纤维增强复合材料具有高强度、高模量、比重小、耐腐蚀且具有较高的强度和硬度，但碳纤维增强复合材料的价格昂贵，大批量、高效率生产汽车零部件的工艺办法仍需要进一步进展、完善，严峻妨碍其在汽车工业中的应用。除了价格因素之外，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用还存着在一些咨询题需要解决。存在的咨询题如下：

1.成本咨询题。碳纤维增强复合材料所用的纤维和基体材料价格高，是该材料在汽车工业广泛使用最大的障碍。生产碳纤维的原丝――聚丙烯晴丝较贵，美国正在研究以纺织商品级的聚丙烯晴丝为原丝并可以快速生产便宜碳纤维的工艺，可望将碳纤维的价格落至3美元/磅。

2.缺乏大批量、高生产效率的碳纤维复合材料汽车零部件的生产办法。

需研究可以生产多种形状和性能的汽车零部件工艺办法，由于汽车行业特点，要求工艺成本要低，生产率要高。研究进展高效、低成本的复合材料零件生产工艺意义重大。

3.缺乏复合材料的快速、大批量连接技术。

4.复合材料汽车零部件的回收再利用咨询题。

5.碳纤维增强热固性树脂基复合材料的回收尚存在一定咨询题，有待解决。

6.复合材料汽车零件的设计数据、试验办法、分析工具、碰撞模型等尚别完善。

结束语

碳纤维增强复合材料这样昂贵，还有进展空间吗？答案是确信的。目前碳纤维增强复合材料在技术等各方面都取得了长脚的发展，应用领域也在别断扩展，从往常要紧集中在航空航天及代表科技前沿的军事领域，逐步拓展到工业应用领域，特殊是近几年以来，碳纤维增强复合材料在土木工程、交通运输、纺织机械等方面的应用大幅增长，尤其在汽车内的应用大幅增加，据相关部门预测，世界碳纤维需求每年将以大约13％的速度飞快增长。谁先掌握先机的技术，研究出高效率，成本低的生产先进工艺就能占据整个市场，所以而获得巨大的经济效益。目前我们需要做的是研究高效、低成本的生产工艺，研究快速、大批量的链接技术，研究回收复合材料的回收再利用技术，完善复合材料汽车零件的设计数据、实验办法、分析工具、碰撞模型等，从这几个方面入手，碳纤维增强复合材料的成本会大大落低。

目前碳纤维材料在民用量产汽车，尤其是中档产品应用也十分广泛，非常多厂商也差不多开始提供碳纤维材料的小组件，如后视镜壳、内饰门板、门把手、排挡杆、赛车座椅、空气套件等，并且能够原装位安装到发动机舱的风箱、进气歧管等碳纤维改装件也是品种繁多。碳纤维材料在汽车领域的应用越来越多也越来越广泛，相信在没多久的将来，汽车排放越来越“低碳”，而汽车本身则会越来越“高碳”。随着碳纤维行业的别断成熟与进展，以及节能减排和汽车轻量化慷慨向的指引，碳纤维材料或成汽车界“瘦身革命”的领导者。能够预见，碳纤维轻量车身必将掀起一股新的变革潮流，一具新的市场突破点正在形成。

国际上已将碳纤维复合材料在汽车中的应用列为汽车轻量化材料进展打算的关键内容，并取得了重大发展国际碳纤维市场进展迅速，需求量的别断增长也给中国碳纤维行业提供了难得的进展机会。随着应用研究的进一步深入，将来碳纤维产品将趋向于高性能化，民用、工业用量将接着保持大幅增长趋势。受益于庞大的内需市场，碳纤维增强材料汽车零部件这一细分市场必将有巨大的增长空间。

参考文献

[1]翟国华，候培民．新世纪中国汽车工业用纤维的进展．合成纤维工业，2003，26(3)：l一4

[2]贺福.汽车工业的新型材料——碳纤维