碳纤维在汽车上的应用

【论文】碳纤维在汽车上的应用

碳纤维(CF)是纤维状的碳素材料，含碳量在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，是唯一强度不下降的物质。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，其高强度、高弹性模量和低比重性能，在汽车上迅速得到广泛的应用，无论是在车辆外观钣件、引擎舱内集气箱、车室内门板或是饰板等，皆可以看到碳纤维的出现。专家指出，在未来5年内碳纤维将引起汽车工业革命性的变革。

汽车车身、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，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、底盘减轻重量40～60％，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，而钢制车身重量为368kg，减重约50％。并且当生产量在2万辆以下时，采用RTM工艺生产复合材料车身成本要低于钢制车身。

东丽确立了使用碳纤维强化塑料（CFRP）、在10分钟内成形汽车底盘（前地板）的技术。

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-9、Z-22的车身，M3系列车顶蓬和车身，GM公司的Ultralite车身，福特公司的GT40车身、保时捷911 GT3承载式车身等。

刹车片

碳纤维还因为其环保、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格外贵，所以目前这种刹车片还主要应用在高档轿车上。碳纤维制动盘被广泛用于竞赛用汽车上，例如Ｆ１赛车上。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。虽然碳纤维制动盘具有性能卓越的减速性能，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。另外，碳纤维制动盘的磨损速度很快，制造成本也非常高。

座椅加热垫

碳纤维汽车座椅加热垫是碳纤维加热应用于汽车工业的一个突破，碳纤维加热元技术在汽车配套市场变得越来越受欢迎,它将会完全替代传统的座椅加热系统。目前几乎全球所有汽车制造厂商的高档、豪华轿车都配备了这种座椅加热装置,比如奔驰、宝马、奥迪、大众、本田、日产等等。碳纤维热载荷碳纤维是一种比较高效能的导热材料，热效率高达96％,并在加热垫中均匀密布,保证热量在座椅加热区域均匀释放，碳纤维线及温度分布均匀,又确保了加热垫长期使用保持座椅表面皮革平整完好。不产生纹路痕迹、不产生局部变色。温度超出设定区间则自动断电，不能满足温度要求时自动通电调节温度。碳纤维适宜人体吸收的红外线波长,具有促进健康的保健作用，可以充分减少驾乘疲劳，增加舒适度。

轮毂

德国的轮毂制造专家WHEELSANDMORE推出的“Megalight-Forged-Series”轮毂系列，采取两片式设计，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可轻上40﹪左右；以20寸的轮毂为例，Megalight-Forged-Series轮圈仅有六公斤，较一般大约18公斤的重量相较，轻了一大截。20寸的Megalight-Forged-Series 一组轮毂要价两万欧元，约21.86万人民币；目前共有18至23寸尺码可供选择。

英国Kahm公司使用CFRP制得的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两部分组成，并用镀钛的特殊硬件连接起来。

燃料贮罐

采用CFRP可以在满足该要求的条件下实现压力容器的轻量化。随着环保汽车（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。依据日本能源厅燃料电池研讨会信息，2020年日本将有500万台汽车使用燃料电池。美国福特汽车Hummer H2H越野车也开始使用氢燃料电池，预计2010年氢燃料电池汽车将会达到一定的市场规模。

（该文发表于中文核心期刊《汽车与配件》08年第50期上，撰稿人为本联盟签约专家