盘点车用碳纤维复合材料的广泛应用

碳纤维复合材料在汽车应用中的优点:

1 轻量化

与其他材料相比,碳纤维复合材料具有不可比拟的强度和比模量,密度仅为1.6g/cm?3;左右,远低于钢和铝,在汽车车身等零件设计中的应用可以减少约35%的质量,降低燃料消耗,例如大众新推出的XL1车型采用碳纤维复合材料车身和零部件只有795千克的总质量部分,结合混合动力技术,一百公里油耗仅0.9升。

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2 耐久性

碳纤维复合材料主要由碳纤维束和树脂材料组成,化学稳定性好,无需进行表面防腐处理,其耐候性和耐老化性好,寿命一般是钢的2-3倍。碳纤维布制得的功能部件的疲劳强度远高于钢的疲劳强度。

3 安全性

碳纤维复合材料的拉伸强度一般3500Mpa以上,是普通钢的5倍,碳纤维材质在碰撞变形的座舱很小,能有效地保护驾乘者的生存空间。将碰撞编织能量吸收结构在高速碰撞碎片中转化为较小的碎片,吸收大量的冲击能量(一般钢的能量吸收3倍以上),可以有效地提高车辆的被动安全性。

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4 美观性

表面涂上一层清漆,碳纤维的两个纬度或对角线的交叉排列顺序清晰可见,显得致密规整。碳纤维复合材料应用于后扰流板、后视镜、屋顶、仪表板、侧板组成,门芯板和方向盘上创建可视化更高科学技术的车辆的运动和视觉效果。

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碳纤维复合材料在汽车各系统的应用

随着汽车轻量化发展理念的不断发展,各大汽车厂商都在不断地开发使用碳纤维汽车零部件。汽车已成为世界第四大碳纤维应用市场,并将在未来五年内迎来巨大的市场需求。

目前,碳纤维复合材料已广泛应用于汽车车身及零部件的制造中。如:汽车车身、内外装饰、底盘系统、动力系统等。 下图为碳纤维复合材料(碳纤维复合材料在汽车零部件中的应用):

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1 碳纤维在汽车车身中的应用

碳纤维增强聚合物基复合材料具有足够的强度和刚度,是制造汽车车身的最轻的材料。碳纤维复合材料的应用可以降低汽车车身的质量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研究碳纤维复合材料的重量损失的影响,结果表明,碳纤维增强聚合物材料体的重量为172公斤,而钢体质量为368公斤,重量损失约50%。目前,大部分汽车和部分改性碳纤维复合材料的车身,在减轻重量的同时,由于复合材料减少了碎片的产生,从而提高了安全性。

应用实例:

宝马i3碳纤维座舱减重50%

通用超轻概念车采用碳纤维车身和底盘减重68%

斯巴鲁WRX STItS采用CFRP车顶,相比钢板减重80%

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2 碳纤维在汽车轮毂中的应用

轮毂作为汽车的重要部件之一,为保证汽车的安全性,不仅要承受车辆的重量和载荷,而且还要传递传动和扭矩。汽车轮毂的质量要求很高。汽车车轮具有高强度和耐冲击性,更好的导热性和导热性,更好的耐久性和安全性。碳纤维复合材料具有优良的力学性能、耐热性和耐久性。同时,使用碳纤维材料,使轮毂的质量降低车轮的惯性,使车辆具有更快的启动、停止和速度。

应用实例:

福特新一代野马Shelby GT350R配备了碳纤维轮毂。其重量仅为8.6kg,而一般铝合金轮毂重量要达到15kg。

瑞典柯尼赛格的Agera车型整个轮毂上除了轮胎气门嘴,其余部件均为碳纤维打造。在降低约20kg的簧下质量的同时,还保证了坚固和安全。

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3 碳纤维在刹车系统中的应用

汽车制动器衬片主要使用石棉材料,制动时易摩擦产生高温,出现性能的热衰退,而产生的石棉粉尘有致癌危害。碳纤维复合材料的比强度高、耐磨性好、耐热性好,应用在汽车刹车片上,可作为石棉的替代品。碳纤维制动盘可以在50m内将车速由300KM/h降到50Km/h。碳纤维制动盘可承受2500℃的高温,且性能稳定。

应用实例:

Porsche AG等车采用碳纤维制动盘,能在50m内将车速从300km/h降到50km/h

4 碳纤维在内外饰中的应用

碳纤维复合材料具有较好的强度、韧性、耐热性和耐老化性,可以改善传统的塑料制品的高脆性和耐久性差,作为汽车内饰材料的使用。碳纤维复合材料具有高强度和刚性,耐冲击性好,可作为汽车零部件中使用的金属材料的替代品。同时,碳纤维复合材料具有更好的吸振效果,冲击较大,减少了冲击碎片,提高了安全性。此外,采用碳纤维和外装饰材料,除了实现汽车的轻量化效果外,还简化了零件的制造工艺,降低了零件的加工、装配、维护成本,降低了生产成本。

应用实例:

宝马M4配备了碳纤维质地的前后保险杠

改装版奔驰G50在外部套件、内外饰等多处使用碳纤维复合材料,在减重的同时动力也得到升级。

5 碳纤维在传动轴中的应用

汽车传动轴的受力情况比较复杂,尤其要承受很大的扭矩,对材料性能要求较高。碳纤维增强复合材料具有各向异性、比强度高和比模量相对较低的特点,替代金属材料作为传动轴可较好的满足使用需求。碳纤维传动轴不仅可减轻重量60%,而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。

应用实例:

丰田86碳纤维传动轴仅5.53kg,减重50%

兰博基尼第六元素概念车使用碳纤维活塞连杆取代钢制连接件,重量减轻40%-50%

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6 碳纤维在进气系统中的应用

碳纤维复合材料作为汽车进气系统材料,一方面可减轻重量,达到轻量化的效果;另一方面,碳纤维材料易加工成各种曲面形状,且表面较为光滑,可有效提高进气效率。

应用实例:

福特FalconXR6 Sprint轿车采用100%碳纤维制造的进气系统。碳纤维进气管重235克,而塑料进气管则为438克。

宝马E82 135i 配备的碳纤维高流量进气系统,使用高规格制程的双面碳纤维风箱与管路,可有效隔绝热源,提供了更稳定的冷空气来源,提升燃烧效率,释放高转速马力。

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车用碳纤维产业发展现状

1国外车用碳纤维发展概况

国外在碳纤维复合材料方面的发展已初具规模,形成了碳纤维供应商+复合材料供应商+零部件供应商+主机厂的联盟式产业化布局。最具代表性的就是宝马公司:宝马公司是首家将碳纤维复合材料大规模应用于汽车制造的厂商,不仅在新能源汽车i8与i3上采用碳纤维车身还为高性能M车型设计了众多内外饰的零部件,而碳纤维材质的传动轴、轮毂、方向盘等功能性零部件也正在应用或者即将应用与旗下众多车型。此外,丰田、本田、日产和福特等厂家也已经将碳纤维复合材料应用于旗下高性能汽车。而奥迪,奔驰等其他厂家厂商也相继发布了CFRP概念车,将逐步应用于具体车型。 下表为国外主机厂与碳纤维供应商的合作现状:

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2国内车用碳纤维发展概况

国内在车用碳纤维方面开发较迟,还未形成产业规模,但在新技术的开发和产业应用方面也在不断进步:

中科院宁波材料技术与工程研究所、化学研究所等单位联合研制出连续碳纤维复合材料快速热压成型成套装备,及连续碳纤维复合材料汽车部件的自动化设备。效率达到56件/天。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所与奇瑞汽车联合打造的碳纤维插电式混合动力车“艾瑞泽7”车型。车身采用CFRP,外壳重量减轻10%,油耗降低7%;车身总体减重达40%~60%后,整体可操控性加强,带来更为出色的加速感受。

北京航空航天大学、北京纳盛通新材料科技有限公司、北京中材汽车复合材料有限公司自主设计研发的长碳纤维增强热塑性(尼龙)复合材料(LCFT)轮毂,与汽车铝轮毂相比可大幅减重40-60wt%,尺寸精度更高,抗疲劳、抗蠕变、耐热、耐环境性能等性能更加优异, 生产效率更高、成本更低,且可回收循环使用,该注塑工艺已在保险杠、发动机罩盖等非承力件大量使用。

中国第一个CFRP量产型电动汽车——奥新鹿曦e25,年产8万辆/年。国内首次在量产汽车上使用全碳纤维材质乘客舱设计,采用HP-RTM和LFT-D复合材料成型工艺。碳纤维整体非承载式车身取消了前处理和中涂等传统涂装工艺。通过覆盖件与内板件粘合形成结构强度功能、优化集成零件模块,整车零部件数量减少至传统汽车零部件40%。更加节能和环保。实现了整车制造工艺的颠覆性突破。

碳纤维产品对未来汽车行业的影响

碳纤维复合材料在汽车轻量化上的应用潜力巨大,拥有其他材料不可比拟的密度、比强度、比模量等全方位力学性能,成本、制造工艺及技术等主要瓶颈不断实现突破下,未来碳纤维复合材料将在汽车产业迎来飞速发展。尤其是新能源汽车将成为碳纤维应用突破,未来五年碳纤维在汽车工业将迎来巨大的市场需求。以下是某机构对车用碳纤维市场的预测分析。

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