碳纤维材料在汽车行业广泛应用与重要地位

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说到碳纤维复合材料在汽车工业上的应用,大家一定不会陌生。碳纤维材料在最近几年发展迅猛。小到手机壳,签字笔,大到汽车,飞机,碳纤维越来越多的出现。

随着超跑制造商对速度越来越极致的追求,“轻量化设计”成为了近期的关键词,想想也是,那些V10,V12引擎的性能又不能被无限压榨,与其让旗下的每台跑车都成为布加迪威龙SS或迈凯轮奔驰SLR这种马力、扭矩怪兽,倒不如另辟蹊径,把车做的更轻一些,使车辆拥有大的马力/质量比,顺着这个思路,一些轻量化材料越来越多的被应用到车辆每一个部分,今天要介绍的就是这些轻量化材料中的主力军:碳纤维。

汽车碳纤维:又称汽车碳化纤维,泛指一些以碳纤维编织或多层复合而成的材料。因为它又轻又坚硬,所以它的用途很广泛。

一般碳纤维的密度为1750 kg/立方米,如此低的密度让其更是广泛被使用于大型飞机,例如空中客机的A350与A380,波音787均利用碳纤维复合材料来减轻耗油量。另外大型风力发电机的叶片,赛车、高端自行车的车身均为碳纤维复合材料需求量增加的重要因素。

直径6微米的碳纤维与后面人类头发的比较:每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成,直径大约5至8微米。在原子层面的碳纤维跟石墨很相近,是由一层层以六角型排列的碳原子所构成。两者差别在于层与层之间的连结。石墨是晶体结构,它的层间连结松散,而碳纤维不是晶体结构,层间连结是不规则的。这样便防止滑移增强物质强度。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000MPa也高于钢。但碳纤维材料也只是沿纤维轴方向表现出很高的强度,其耐冲击性却较差,容易损伤,所以在制造成为结构组件时,往往利用其耐拉质轻的优势而避免去做承受侧面冲击的部分。

碳纤维是一种含碳量高于90%的无机高分子纤维,它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼具纺织纤维的柔软性,制备碳纤维是一个繁杂的过程,从原丝到成品需要经过预氧化,高温炭化,石墨化,表面处理等诸多步骤,每一步骤又有着诸如碳化温度,预氧时间等严格的参数限制;成品碳纤维的轴向强度高,密度低、比性能高,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小且具有各向异性,耐腐蚀性好,繁杂的生产过程无疑造就了它优异的品质。

碳纤维特点之一就是质量轻,这种材料应用在超跑或赛车上带来最直观的改变就是整车重量的降低,在动力系统不变的前提下,减重的车身会带来更出色的加速感受,相对于扔掉空调、音响等配置的减重方法,碳纤维材料的应用在保留舒适配置的同时达到了更好的效果,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。

碳纤维为车辆轻量化做出的贡献是毋庸置疑的,但更轻的质量是否意味着更低的强度呢?答案是否定的!碳纤维复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7-9倍,虽然只是轴向强度出色,但也足以满足对车辆安全性能的需求,”越厚的钢板意味着越高的安全性能”这种说法本身是不太正确的,决定车体安全水平的因素主要是看车架的结构和强度,所以碳纤维材料的应用与整车安全性能没有太大关系。

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%。

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