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

随着汽车工业的飞速发展，减少燃料消耗和降低对环境的污染已成为汽车工业发展和社会可持续发展急需解决的关键问题。汽车的燃料消耗和二氧化碳废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，寻找较轻且性能良好的材料代替钢制汽车零件成为一个重要的研究方向。碳纤维增强复合材料具有强度高、重量轻、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制造汽车车身、发动机零件等，可有效降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发展方向之一。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情况，以及碳纤维增强复合材料在汽车应用中存在的问题。

关键词：碳纤维增强汽车应用

1 前言

现在社会汽车已成为人民出行必不可少的交通工具，在汽车给人类带来方便的同时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重量存在密切的关系，美国能源部相关研究表明，美国现有的汽车，如减重25％，每天可节省750,000桶燃油，每年二氧化碳的排放量可减少1.01亿吨，因此汽车轻量化已成为汽车工业技术发展的重要方向。除了对汽车各种零部件结构进行优化设计和改进外，采用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，用以制造汽车车身、底盘、发动机等零部件，可以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(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 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，是制造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料，同时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主要是汽车骨架、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上作了试验，将其车身、框架等160个部件用碳纤维复合材料制造，结果整车减重33％，汽油的利用率提高了44％，同时大大降低了振动和噪音。

碳纤维具有比重小、强度高、模量高、耐腐蚀等特点，可用于制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制造汽车车身、发动机零件等，可有效降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问题。由于碳纤维增强复合材料的价格昂贵，严重影响其在汽车工业中的应用。因此，发展廉价的碳纤维和高效率碳纤维增强复合材料的生产方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计划。

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。复合以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制造、碳基体的制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，根据原料形式不同分为：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度正交排列，各方向的碳纤维在织物中保持准直，因此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。最后，把坯体与基体复合成型。

碳纤维增强复合材料的特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。

（1）具有很高的强度和弹性模量（刚性）。它的比重一般为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一般的碳素材料。纤维取向明显影响材料的强度，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,通过表层材料的烧蚀带走大量的热量,可阻止热流入材料内部。

3 碳纤维增强复合材料在汽车行业的应用情况

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，是制造卫星、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足够的强度和刚度，它也是适用于制造汽车主结构――车身、底盘最轻的材料，受到汽车工业广泛重视。主要的应用有：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问世以来，复合材料在汽车上的应用不断增多。如今在汽车车身、尾翼、汽车底盘，发动机罩、汽车内饰等各个地方我们都能够发现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％。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速发展并且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个重要组分,其性能如何将直接影响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、高赢利性品种一直是世界各大生产商乐于巨额投资的研发项目品种,它的发展及其在先进复合材料中的适应程度在目前乃至将来都有许多值得探索的地方.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足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降低汽车自重达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发展方向。为提高碳纤维增强复合材料的用量，美国、欧洲、日本等通过加紧研究廉价碳纤维的原丝（高品级聚丙烯晴丝）和碳纤维的低成本、高速率的生产工艺，使碳纤维的价格降低到约3美元/磅。目前碳纤维增强