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（carbon fiber，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172 kg，而钢制车身质量为368

kg，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50 ｍ的距离内将

汽车的速度从300 km/h 降低到50 km/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2 500 ℃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6 kg，而一般轮毂约重18 kg。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6 kg，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。

（Aston Martin 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