碳纖維復(fù)合材料在汽車、體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用

羅　棟

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000)

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碳纖維復(fù)合材料在汽車、體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用

羅棟

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000)

摘要：碳纖維復(fù)合材料不僅在航天航空及其他工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且也是汽車、體育用品開發(fā)最好的材料之一。該文介紹了碳纖維主要產(chǎn)品種類、用途及應(yīng)用形態(tài)、幾種碳纖維復(fù)合材料性能比較以及碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)、體育休閑用品領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著科技發(fā)展，在我國占碳纖維總消費(fèi)量的80%～90%是汽車體育用品。

關(guān)鍵詞：碳纖維，復(fù)合材料，汽車工業(yè)，體育用品，應(yīng)用

1國外碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

目前世界各國，PAN基碳纖維是當(dāng)今世界碳纖維發(fā)展的主流，占世界碳纖維市場的90%以上。

國際上PAN基碳纖維的生產(chǎn)，從20世紀(jì)60年代起步，經(jīng)過70～80年代的穩(wěn)定，90年代的飛速發(fā)展，到21世紀(jì)初其生產(chǎn)工藝技術(shù)已經(jīng)成熟。起初，碳纖維主要用于軍工和宇航，經(jīng)過40余年的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域正在向工業(yè)領(lǐng)域和普通民用領(lǐng)域擴(kuò)大?，F(xiàn)已發(fā)展成為大絲束碳纖維和小絲束碳纖維兩大種類。中國用聚丙烯腈為原料生產(chǎn)碳纖維的研究始于1962年，起步可謂不晚，但長期未取得實質(zhì)性進(jìn)展。促使大絲束碳纖維迅猛發(fā)展的原因可能如下：

(1) 市場的需求。九十年代前，航天航空需要高性能小絲束碳纖維，即使價格高也可用輕量化效果來解決。但九十年代以后對于航天航空工業(yè)來說，高價碳纖維限制它的應(yīng)用，需開發(fā)價格較低的大K束碳纖維。同時，12K以上碳纖維的性能也可滿足航天航空工業(yè)的需求，性能與價格比占有一定優(yōu)勢。

(2)可大量生產(chǎn)，碳纖維原料成本較低。PAN原絲K數(shù)愈大，價格愈低。以國產(chǎn)小絲束PAN原絲為例，1K、3K、6K原絲比12K原絲的價格分別高316%、100%和38%左右。對于PAN基碳纖維生產(chǎn)線來說，原絲占成本價格的56%～65%左右，原絲價格低，必然使碳纖維價格隨之而下降。

(3)大K數(shù)碳纖維制造加工成本較低。對于同一條碳纖維生產(chǎn)設(shè)備來說K數(shù)大的原絲，產(chǎn)量愈高，越有利于碳纖維價格的下降[1]。

2碳纖維的物理性能

由于碳纖維具有出色的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和最高的比模量的纖維，特別是在2000℃以上的高溫惰性環(huán)境中，碳材料是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)，是其它主要結(jié)構(gòu)材料(金屬及其合金)所無法比擬的。此外，碳纖維還兼有其它多種優(yōu)良性能，如低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、震動衰減性高、電及熱導(dǎo)性高、熱膨脹系數(shù)低、X光穿透性高、非磁體但有電磁屏蔽性等。

3碳纖維編織材料

碳纖維主要有四種產(chǎn)品形式：纖維、布料、預(yù)浸料坯和短切纖維。布料是指由碳纖維制成的織品；預(yù)浸料坯是將碳纖維按照一個方向一致排列，并將碳纖維或布料經(jīng)樹脂浸泡使其轉(zhuǎn)化成片狀；短切纖維指的是短絲。碳纖維產(chǎn)品形式及加工制品見表1。

表1　碳纖維和深加工制品及其應(yīng)用概況

4碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能比較

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要包括碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料、C/C復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料等，它們的主要用途見表2。

表2　碳纖維的主要用途及應(yīng)用形態(tài)、種類

(1)碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料

用碳纖維增強(qiáng)陶瓷可有效改善韌性，改變陶瓷脆性斷裂形態(tài)，同時阻止裂紋在陶瓷基體中的迅速傳播、擴(kuò)展。目前國內(nèi)外比較成熟的碳纖維增強(qiáng)陶瓷材料是碳纖維增強(qiáng)碳化硅材料，在航空發(fā)動機(jī)、可重復(fù)使用航天飛行器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

(2)C/C復(fù)合材料

它是由碳纖維或織物、編織物等增強(qiáng)碳基復(fù)合材料構(gòu)成，主要由各類碳組成，即纖維碳、樹脂碳和沉積碳。這種材料除具備高強(qiáng)度、高剛性、尺寸穩(wěn)定、抗氧化和耐磨損等特性外，還具有較高的斷裂韌性和假塑性。在高溫環(huán)境中，強(qiáng)度高、不熔不燃，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭，固體火箭發(fā)動機(jī)噴管以及飛機(jī)剎車盤等領(lǐng)域。

碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱等特性，屬典型的高新技術(shù)產(chǎn)品。主要用于制備先進(jìn)復(fù)合材料(ACM)，已廣泛應(yīng)用于宇航、體育用品領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、交通運(yùn)輸領(lǐng)域及土木建筑領(lǐng)域[2]。

5碳纖維在汽車、體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用

5.1汽車工業(yè)

2014年9月，中科院寧波材料所研制的碳纖維復(fù)合材料小汽車，用力敲擊車蓋后會迅猛反彈，表面絲毫未損。在普通材質(zhì)的汽車引擎蓋上，榔頭用力敲擊，漆蓋上很有可能會有凹陷，徹底顛覆了纖維一詞在人們腦海中的柔弱印象。這種碳纖維復(fù)合材料做的車，比起普通用鋼材制造的汽車，它的最大特點是輕和快。這輛車拋棄了傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)，大量采用彈纖維材料制成，比普通鋼材的汽車重量能減少60%。在同樣用油情況下，這輛車每小時可以多開50公里。雖然碳纖維看起來像塑料，但實際上這種材料抗沖擊性比鋼鐵強(qiáng)，特別是用碳纖維做成的方向盤，機(jī)械強(qiáng)度和抗沖性相比大大提高。在復(fù)合材料的“武裝”下，這輛小車反倒成了家用車中的“裝甲車”。

另外，汽車零部件輕量化、小型化已成為未來汽車工業(yè)發(fā)展的重要課題。汽車輕量化使得汽車油耗降低，大大降低了汽車的使用成本，也使總的能耗大大降低了。據(jù)資料介紹，汽車自重減輕100公斤，行駛100公里，可節(jié)省油0.3公斤。自重減輕10%，燃油經(jīng)濟(jì)性可提高10%。目前在汽車工業(yè)中應(yīng)用復(fù)合材料的有：驅(qū)動軸、車身、車門、橫梁、油箱、懸臂梁、鋼板彈簧、減速器、變速器支架、座位架、行李箱板和方向盤等。通用汽車公司的超輕概念車車身采用碳纖維復(fù)合材料由手鋪碳纖維預(yù)浸料工藝制造，整體車身質(zhì)量僅為191公斤，車身剛度優(yōu)于鋼制車身，密度僅為鋼制車身的1/4。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的車身質(zhì)量僅為172公斤，而鋼制車身為367.9公斤，輕量化效果達(dá)53%以上。設(shè)計表明，一輛典型小車的碳纖維用量可以超過113kg。僅僅為了滿足北美的需求，碳纖維的需求量就達(dá)現(xiàn)有世界碳纖維總生產(chǎn)能力的100倍。制約碳纖維在汽車工業(yè)的應(yīng)用的關(guān)鍵在于碳纖維價格過高。

5.2體育休閑用品

文體用品領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求，年均增長率為48%，用于體育休閑用品的碳纖維都超過5000t，占世界碳纖維總消耗量的25%左右。體育用品使用碳纖維絕對數(shù)量仍在增加，根據(jù)美國體育用品制造商協(xié)會的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國市場體育用品設(shè)備銷售在2010 年總額約500億美元，這還不包括鞋子、機(jī)動車輛和舉重器材。大量使用碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)品是高爾夫球槽、球拍、雪橇、滑雪板、曲棍球棒、釣魚竿和自行車。體育用品使用碳纖維的絕對數(shù)仍在增加，在未來幾年內(nèi)，每年的增長預(yù)計平均為4.3%，預(yù)計將來使用量有可能超過唱片業(yè)的水平。據(jù)估計，全球每年的高爾夫球棒的產(chǎn)量為3400萬付，主要產(chǎn)自美國、中國、日本和中國臺灣省；全球碳纖維釣魚竿的產(chǎn)量每年約2000萬付；網(wǎng)球拍框架的市場容量約為每年600萬付。碳纖維在其他體育項目的應(yīng)用還包括冰球棍、劃船、賽艇、沖浪器械等[3]。

自行車是人們?nèi)粘Ｉ畹谋仨氂闷?。目前，全球的自行車中，高級自行車和特別用途登山車約占5%，加工自行車，生產(chǎn)周期短，制造成本低。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計和預(yù)測，到2017年全球在自行車領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量推測為3886t[4]。

近幾年，隨著科技發(fā)展，我國對碳纖維的需求不斷增長，碳纖維消費(fèi)結(jié)構(gòu)中體育用品居首位，其中體育器材用量最大，約占總消費(fèi)量的80%～90%。其次是一般工業(yè)少量軍工產(chǎn)品(導(dǎo)彈和火箭等)，航空航天排第三。

參考文獻(xiàn)

[1] 張文光，等.產(chǎn)業(yè)用紡織品與復(fù)合材料[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008(06)：42-44.

[2] 杜希巖，等.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料，2007(01)：34-36.

[3] 陳偉.碳纖維復(fù)合材料在體育器材上的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2011(08)：10-12.

[4] 陶浩，等.碳纖維自行車車架的研制與開發(fā)[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2007(04)：26-28.

Application of Carbon Fiber Composite Material in the Field of Automotive and Sports Goods

LUO dong

(Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，Shaanxi，China)

Abstract：Carbon fiber composite material is not only widely used in aerospace，automotive and other industrial fields，but also one of the best material for the development of automotive sports products. The main products of carbon fiber，application of carbon fiber，and the properties comparasion of carbon fiber composite materials were introduced. Application of carbon fiber composite material in the field of automobile industry and sports leisure products were also introduced. With the development of science and technology，China’s carbon fiber consumption structure of sports is in the first place，about the total consumption of 80%～90%.

Key words：carbon fiber，composite material，automobile industry，sports leisure products，application

中圖分類號：TQ 050