碳纤维在汽车上的应用

碳纤维在汽车上的应用摘要：碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它具有许多优良性能，密度低，强度大，耐超高温，耐疲劳性好，耐腐蚀性好，良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。因为其优良的性能，从而在汽车上得到广泛的使用，推动了汽车工业的变革。关键词：碳纤维汽车轻量化一：什么是碳纤维碳纤维（carbonfiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。现今，碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。1994年至2002年左右，随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。车用碳纤维复合材料可用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件。目前钢铁材料约占车体重量的3/4，如果汽车的钢材部件全部由碳纤维复合材料置换，车体重量可减轻300kg，燃油效率提高36%，二氧化碳排放量可削减17%。我国汽车年产量将突破2000万辆，预计今后还会继续上升。研制轻量化汽车是实现我国低碳经济的迫切需求，汽车应用碳纤维是轻量化的新选择。二．碳纤维在汽车上的应用1汽车车身和底盘由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，是制造汽车车身和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和底盘减轻质量40%～60%，相当于钢结构质量的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，而钢制车身质量为368kg，减重约50%。2刹车片碳纤维还因为其环保和耐磨的特点而应用在刹车片上，但含有碳纤维复合材料的产品都价格偏高，所以，目前这种刹车片还主要应用在高档汽车上。碳纤维制动盘被广泛用于竞赛用汽车上，如F1赛车。它能够在50ｍ的距离内将汽车的速度从300km/h降低到50km/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。3轮毂德国的轮毂制造专家推出的轮毂系列，采取2片式设计，外环为碳纤维材质打造，内毂为轻量化的合金，搭配不锈钢制的螺丝，较一般同尺码的轮毂质量低40%左右。以20寸的轮毂为例，该轮毂质量为6kg，而一般轮毂约重18kg。英国Kahm公司使用CFRP制得的RX-X型高级汽车专用车轮，质量仅为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DYMAG公司开发的世界最轻碳纤维/镁车轮由碳纤维轮网和镁刹车盘2部组成，并用镀钛的特殊硬件连接起来。4.传动轴汽车传动轴的受力情况比较复杂，尤其要承受很大的扭矩，充分考虑了碳纤维增强复合材料各向异性、比强度高和比模量相对较低的特点，从而使用碳纤维增强复合材料传动轴能够替代金属产品，满足使用要求。碳纤维传动轴它不仅减轻了60%的重量，而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。三．碳纤维在汽车上的应用的优点1.轻量化碳纤维在汽车上的应用最主要是它所带来的汽车轻量化。目前钢铁材料约占车体重量的3/4，如果汽车的钢材部件全部由碳纤维复合材料置换，车体重量可减轻300kg。2.安全性与钢材相比，碳纤维复合材料质量钢的50％，而在碰撞中对能量的吸收能力却比钢高出4～5倍。碳纤维复合材料制造汽车前端框架和保险杠骨架。呈尖塔状的碳纤维溃缩柱由无数根粗壮的碳纤维编织而成，虽然结构依旧无比坚固，但是通过材料、工艺和产品结构的设计，这种溃缩柱能够在正面碰撞时破碎成无数细小的碎片，从而吸收大量的能量，并且碎片不会对人造成伤害，保证了汽车的安全性。（AstonMartin复合材料防撞吸能结构）3.燃油经济性由于全球气温变暖，自然灾害不断出现，各国在节能减排上都在不懈地努力。减少碳的排放将是未来发展的主流。汽车越轻，燃油经济性越好。当车体重量减轻300kg，燃油效率了提高36%，二氧化碳排放量可削减17%，可有效节约能源与保护环境。四．当前碳纤维在汽车应用上的局限性1.构成碳纤维车架的是碳纤维，它的特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。一般来讲，碳纤维抗面的冲击相当好，而抗穿刺能力就很差了。就是说你横摔竖拍不要紧，就怕的是横摔竖拍的过程中碰到一两块锋利的小石子，那可就不是拿去焊一下就可以解决的了。2.价格昂贵，和钛合金相比，碳纤维车架的价格有过之而无不及，向顶级的碳纤维车架的价格都要上万，而科那哥的C40和C50的价格甚至超过2万元。这主要是因为碳纤维车架的制作过程需要很多的手工，并且报废率很高，造成成本的大量上升。3.虽然碳纤维强度大，但是碳纤维是脆性材料，受力过大不会发生形变而是直接断裂，所以损坏后基本无法修复，只能更换。五．结语碳纤维材料作为未来汽车材料发展的主流，必将在未来的汽车工业中扮演非常重要的角色。应用这些新型纤维复合材料能够满足汽车耐高温、高强度和减振降噪的功能性要求，实现设计模块化、生产高效率和材料的回收利用，并进一步减重、降成本。但是，每一种新材料都有各自的优点和缺点，所以在应用过程中要做好计算机模拟分析和试验研究工作，以保证零部件质量的长期稳定，才能真正发挥新材料的优势，为汽车行业的发展做出新的贡献。六．参考文献（1）低碳节能的新材料碳纤维使汽车进入轻量化新时代陆刚（2）碳纤维在汽车上的应用胡兴军(3)百度百科（4）碳纤维复合材料的应用王强