碳纖維材料在汽車零部件的應(yīng)用前景

李建峰

（陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)公司，陜西西安　710119）

碳纖維材料在汽車零部件的應(yīng)用前景

李建峰

（陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)公司，陜西西安710119）

碳纖維材料的應(yīng)用能夠使汽車的零部件更輕，同時(shí)使其承壓力更好，非常符合汽車未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。碳纖維是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化這一未來(lái)目標(biāo)的重要材料，因此碳纖維在汽車零部件的制造中必然具有廣闊的應(yīng)用前景。筆者以下就對(duì)通過(guò)對(duì)碳纖維材料在汽車零部件應(yīng)用中具備的的優(yōu)良特性，以及其在汽車零部件中的應(yīng)用情況及廣泛推廣應(yīng)用存在的問(wèn)題等各個(gè)方面對(duì)碳纖維材料在汽車零部件應(yīng)用中的前景進(jìn)行了分析。

碳纖維材料汽車零部件應(yīng)用前景

碳纖維被譽(yù)為“黑色黃金”，它同時(shí)兼具了碳材料的固有特性和紡織纖維的柔軟性兩種屬性。碳纖維從原絲到成品需經(jīng)歷多道工藝，其最大的優(yōu)點(diǎn)之一就是質(zhì)量輕。因此，將碳纖維應(yīng)用到汽車零部件中最為突出的改變就是能夠在保持其動(dòng)力系統(tǒng)不變的基礎(chǔ)上，極大地減輕整車的質(zhì)量。而輕量化正是汽車發(fā)展的主要趨勢(shì)之一，汽車的輕量化是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)“安全、舒適、節(jié)能、環(huán)?！彼捻?xiàng)要求重要途徑［1］。鑒于以上汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，以及碳纖維在汽車零部件應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)作用，碳纖維在汽車零部件中的應(yīng)用必將具有廣闊的前景。筆者以下就從各個(gè)方面對(duì)碳纖維材料在汽車零部件的應(yīng)用前景進(jìn)行了闡述。

1　碳纖維材料

碳纖維材料就是纖維狀的碳素材料，其主要的成分就是碳元素，含碳量高達(dá)90%以上。碳纖維材料的制備需要經(jīng)歷多道工藝，主要包括預(yù)氧化、高溫碳化、石墨化以及表面處理等。每一根碳纖維都是由數(shù)千條更加細(xì)小的碳纖維組成的，其直徑約為5-8μm，24k以下為小絲束。碳纖維與鋼相比，其比重非常小，不到鋼的1/4，但是其抗拉強(qiáng)度卻遠(yuǎn)高于剛，是鋼的7-9倍。碳纖維材料不僅僅具有碳本身所固有的基本特性，同時(shí)還兼具了紡織纖維的柔軟性和可加工性，屬于一種新型的增強(qiáng)型纖維［2］。

2　碳纖維在汽車零部件應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

2.1碳纖維材料具有質(zhì)輕高強(qiáng)的特性

汽車零部件制造中使用到的碳纖維材料，其密度較小，與普通的鋼材相比，只有其密度的1/4—1/5，其質(zhì)量比鋁合金還要輕，但是碳纖維材料的機(jī)械性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料。碳纖維材料與傳統(tǒng)的鋼材相比，其抗拉強(qiáng)度是鋼材的3—4倍，剛度則是鋼材的2—3倍，耐疲勞性則是鋼材的2倍，熱膨脹系數(shù)則較鋼材小4—5倍，但是其質(zhì)量卻比鋼材輕3—4倍。因此，使用碳纖維材料能夠使車身的質(zhì)量顯著減輕，從而使汽車的功率需求降低，進(jìn)而采取更小的驅(qū)動(dòng)引擎和懸掛裝置，通過(guò)減少動(dòng)能進(jìn)而減少了汽車的沖擊危險(xiǎn)。因此，采取碳纖維材料進(jìn)行汽車零部件的制造，能夠顯著的減輕汽車的整體質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化。

2.2碳纖維具有良好的可塑性

碳纖維材料具有非常好的可塑性，能夠加工各種汽車零部件，也能夠制作成一體式的整體結(jié)構(gòu)。例如，目前汽車中使用的鐵制汽車座位，其在安裝過(guò)程中需焊接50—60個(gè)部件，但是如果使用碳纖維材料設(shè)計(jì)成整體成型的座位，不僅能夠縮短加工時(shí)間，同時(shí)其精度也能夠得到有效保證。例如目前已經(jīng)得到應(yīng)用的樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑成型技術(shù)，該碳纖維材料制造方法具有成本低、效率高、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，該制造技術(shù)能夠?qū)鹘y(tǒng)成型所需的數(shù)天時(shí)間縮短到幾分鐘。

2.3碳纖維材料具有良好的耐腐蝕性

汽車上的很多零部件在使用的過(guò)程中都要承受機(jī)油、汽油以及汽車傳動(dòng)液等化學(xué)制劑的腐蝕，并且要經(jīng)受高溫、嚴(yán)寒以及鹽霧等等惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。傳統(tǒng)的金屬材料零部件在這些惡劣條件下，其使用壽命會(huì)受到影響，并且在不同的環(huán)境條件下，其質(zhì)量的一致性很難得到保障。但是碳纖維材料卻不存在傳統(tǒng)金屬材料的生銹和腐蝕問(wèn)題。碳纖維材料具有非常好的耐腐蝕性，具有良好的耐酸性能、耐海水性能、耐堿性能、耐鹽和有機(jī)溶劑等性能。因此，應(yīng)用碳纖維材料制造的汽車零部件，其使用壽命較長(zhǎng)，且維修費(fèi)用較低。

2.4碳纖維材料能夠?qū)崿F(xiàn)汽車零部件的一體化

模塊化和整體化是汽車結(jié)構(gòu)發(fā)展的一種必然趨勢(shì)，傳統(tǒng)的金屬材料很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。但是碳纖維材料本身所具備的優(yōu)良特性，使汽車結(jié)構(gòu)的模塊化和整體化成為了可能，只用應(yīng)用合理的模具，就可以將不同厚度的汽車零部件、凸起部、筋、楞等全部一體成型。因此，對(duì)于傳統(tǒng)的鋼制薄板不易制造、生產(chǎn)效率低下、難以保證精度的汽車零部件，使用碳纖維材料能夠克服以上所有問(wèn)題。例如，蓮花跑車以整車應(yīng)用碳纖維材料為目的，使其零部件實(shí)現(xiàn)了輕量化，從而使整車實(shí)現(xiàn)了輕量化，同時(shí)增加了其零部件的剛度和強(qiáng)度，使得整車的性能也得到了顯著提升。

3　碳纖維在汽車零部件中的應(yīng)用

目前隨著碳纖維材料成本的降低以及汽車輕量化發(fā)展的要求，碳纖維材料在汽車零部件中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)逐漸被關(guān)注和重視起來(lái)了。目前碳纖維材料已經(jīng)開(kāi)始被應(yīng)用到汽車的部分零部件的制造中，例如剎車片、傳動(dòng)軸、燃料箱以及環(huán)保汽車中使用的壓縮天然氣氣瓶等［3］。

目前，碳纖維材料在汽車座椅加熱墊中的應(yīng)用就是其在汽車零部件應(yīng)用中的一大突破。目前在世界汽車制造廠商來(lái)看，絕大多數(shù)的高檔、豪華轎車，例如奔馳、寶馬、奧迪等高檔轎車中幾乎都安裝了碳纖維材料座椅加熱裝置［4］。由于碳纖維材料具有非常好的導(dǎo)熱性，因此能夠保證熱量在座椅加熱區(qū)域進(jìn)行均勻的釋放，同時(shí)由于碳纖維在座椅中分布均勻，因此應(yīng)用碳纖維材料不僅能夠保證加熱墊的使用壽命，同時(shí)還能夠保持座椅表面皮革的平整完好。目前，碳纖維材料還由于其環(huán)保、耐磨的特性而開(kāi)始被引入到汽車剎車片的制造中來(lái)。在賽車中，碳纖維材料制動(dòng)盤的應(yīng)用目前已經(jīng)比較廣泛了，例如F1賽車，就普遍應(yīng)用了碳纖維材料制動(dòng)盤。F1賽車能夠在50米的距離內(nèi)將賽車的車速?gòu)?00km/h降到50mk/h，但此時(shí)制動(dòng)盤的溫度會(huì)出現(xiàn)急劇升高，達(dá)到900℃左右的高溫，傳統(tǒng)金屬制造的制動(dòng)盤會(huì)在這樣的高溫下，由于迅速吸收熱量而發(fā)紅。但是應(yīng)用碳纖維材料之后，由于其具有較強(qiáng)的耐高溫特性，最高可承受2500℃左右的高溫，因此碳纖維材料制動(dòng)盤其在該過(guò)程具有非常優(yōu)秀的制動(dòng)穩(wěn)定性［5］。

4　碳纖維在汽車零部件中廣泛應(yīng)用所遇到的問(wèn)題

碳纖維材料在我國(guó)的研究始于20世紀(jì)60年代，至今已經(jīng)歷經(jīng)接近50年的歷史，但是整體來(lái)看，其研究進(jìn)展較為緩慢。同時(shí)由于發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖，導(dǎo)致我國(guó)目前仍未實(shí)現(xiàn)碳纖維材料的大規(guī)模生產(chǎn)，因此目前我國(guó)對(duì)碳纖維的使用主要依賴進(jìn)口［6］。因此，筆者5碳纖維材料在汽車零部件中的應(yīng)用前景展望

認(rèn)為要想實(shí)現(xiàn)碳纖維材料未來(lái)在我國(guó)汽車零部件中的廣泛應(yīng)用，目前存在以下幾個(gè)亟待解決的問(wèn)題：其一是碳纖維材料的成本問(wèn)題，目前碳纖維材料的成本價(jià)格較高，是其在汽車零部件中進(jìn)行廣泛應(yīng)用的最大阻礙；其二是生產(chǎn)方法的缺乏，目前看來(lái)我國(guó)尚且缺乏能夠進(jìn)行大批量、高效率碳纖維材料汽車零部件的生產(chǎn)方法；其三是碳纖維材料汽車零部件的回收利用問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于碳纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的回收尚且存在問(wèn)題，亟待解決；其四是目前我國(guó)國(guó)內(nèi)尚且缺乏對(duì)碳纖維汽車零部件進(jìn)行制造的相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)方法、分析工具、碰撞模型等等，都有待進(jìn)一步進(jìn)行研究和完善［7］。

目前，隨著汽車使用數(shù)量的急劇增傷，以及對(duì)低碳生活的要求，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外的主要汽車生產(chǎn)廠家都積極致力于開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)碳纖維及其復(fù)合材料化的節(jié)能、環(huán)保和安全性的汽車。而新一代的汽車必然具備節(jié)能降耗的特征，而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的重要途徑就是汽車的輕量化。而目前汽車零部件制造中使用到的一般鋼材等金屬是無(wú)法實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的，因此，采取碳纖維及其復(fù)合材料進(jìn)行汽車零部件的制造就成為了實(shí)現(xiàn)汽車輕量化最有效的方法［8］。因此，目前來(lái)看，在未來(lái)的汽車零部件制造業(yè)中，碳纖維及其復(fù)合材料將具有極其廣闊的應(yīng)用。

并且隨著目前對(duì)碳纖維及其復(fù)合材料在汽車零部件中的應(yīng)用的進(jìn)一步深入研究，未來(lái)的碳纖維汽車零部件必將趨于高性能化，汽車用的碳纖維零部件的成本必然會(huì)不斷下降，碳纖維汽車零部件的大批量、高效率生產(chǎn)工藝方法必然會(huì)得到進(jìn)一步的完善和發(fā)展。因此在未來(lái)的持續(xù)發(fā)展中碳纖維及其復(fù)合材料完全可以取代金屬應(yīng)用于汽車的零部件中，并且碳纖維在汽車零部件制造中的應(yīng)用將繼續(xù)保持大幅增長(zhǎng)趨勢(shì)。在如此龐大的市場(chǎng)需求之下，碳纖維汽車零部件這一細(xì)分市場(chǎng)必將有巨大的增長(zhǎng)空間。

［1］張方超，楊建忠，喬卉，王勇.碳纖維及其復(fù)合材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用及展望［J］.合成纖維，2013（6）：26-29.

［2］羅益鋒.新能源汽車輕量化發(fā)展與碳纖維材料的開(kāi)發(fā)趨勢(shì)［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2015（2）：13-18.

［3］王俊峰，馬祥林，張興龍，李超，齊蘇杰，劉小利，于浩.碳纖維在汽車輕量化中的應(yīng)用［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2015（2）：20-22.

［4］張定金，陳虹.于今.汽車輕量化對(duì)碳纖維的需求［J］.中國(guó)石油和化工經(jīng)濟(jì)分析，2014（10）：30-33.

［5］張紅英，歐陽(yáng)八生.汽車輕量化之有效途徑—高分子材料的應(yīng)用［J］.模具技術(shù)，2014（5）：54-58.

［6］肖文剛，何志華，董青海.碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料增刊，2012：232-235.

［7］竺鋁濤.汽車用碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展歷程及應(yīng)用［J］.上海汽車，2013（11）：52-55.

［8］張新元，何碧霞，李建利，等.高性能碳纖維的性能及其應(yīng)用［J］.棉紡織技術(shù)，2011（4）：269-273.

李建峰（1982—），男，陜西寶雞人，研究生學(xué)歷，畢業(yè)于西安交通大學(xué)，工程師，研究方向：同步器用摩擦材料、粘接工藝研發(fā)等。