碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)零部件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用前景

陳洪興 李文龍 梁敏杰

摘? 要：改革開(kāi)放以后，人們的生活水平逐步提高，人們出行對(duì)于汽車(chē)的需求逐步增加，需求刺激了汽車(chē)行業(yè)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是汽車(chē)零部件開(kāi)發(fā)與制造企業(yè)。在汽車(chē)零部件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，碳纖維復(fù)合材料逐步成為新興的材料類型，其具備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐腐蝕和抗高溫等特性，并且還具有良好的環(huán)保性能，在此情況下，碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)零部件的開(kāi)發(fā)具有良好的發(fā)展前景。該文從碳纖維復(fù)合材料的相關(guān)概念著手，分析了碳纖維復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)歷程與具體應(yīng)用，對(duì)于提升該材料的應(yīng)用價(jià)值具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;汽車(chē)行業(yè);零部件開(kāi)發(fā);應(yīng)用前景

中圖分類號(hào)：U465? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，汽車(chē)生產(chǎn)與制造行業(yè)逐漸成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著汽車(chē)行業(yè)的日益發(fā)展，開(kāi)始應(yīng)用各種新型的制造材料，以碳纖維復(fù)合材料為例，其在很多汽車(chē)零部件的開(kāi)發(fā)中得到了極為普遍的應(yīng)用，滿足了現(xiàn)代汽車(chē)行業(yè)低碳環(huán)保理念的發(fā)展要求，適應(yīng)了可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料的性能良好，并且其環(huán)保效益極好，在汽車(chē)行業(yè)受到了很多制造廠家的青睞，未來(lái)還將具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用價(jià)值。

1 碳纖維復(fù)合材料

1.1 碳纖維復(fù)合材料概念

從碳纖維的構(gòu)成來(lái)看，該種材料中的碳含量高達(dá)95%以上，是一種強(qiáng)度與模量纖維都較高的新型材料。從碳纖維的形成過(guò)程來(lái)看，由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿著纖維軸向堆砌而成，隨后經(jīng)過(guò)碳化與石墨化處理以后形成。碳纖維比金屬的性能要好，例如與金屬鋁相比，碳纖維質(zhì)量較輕，與鋼鐵相比，碳纖維的強(qiáng)度更高，且自身具有良好的抗腐蝕等特性，在實(shí)際的應(yīng)用中，不僅可以充分發(fā)揮碳材料的特性，還具備紡織纖維的柔軟性，可以實(shí)現(xiàn)各種加工處理，其應(yīng)用價(jià)值極高。碳纖維與樹(shù)脂、金屬等的基體復(fù)合，可以形成碳纖維復(fù)合材料。

1.2 碳纖維復(fù)合材料的特征

1.2.1 具有很高的比強(qiáng)度與比模量

碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度、模量等指標(biāo)與金屬材料并沒(méi)有明顯的差距，主要是其密度極小。與金屬材料相比，比強(qiáng)度可以與比模量都遠(yuǎn)高于金屬材料，因此，這種特性決定了在實(shí)際應(yīng)用中，在單位質(zhì)量相同的條件下，碳纖維復(fù)合材料的承載能力較強(qiáng)，而承載能力相同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量更小。

1.2.2 具有良好的抗疲勞性能

碳纖維復(fù)合材料本身具備極高的抗疲勞特性。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)材料在受到一定的荷載以后，內(nèi)部裂紋會(huì)逐步擴(kuò)展，從而加速材料的斷裂等。碳纖維復(fù)合材料在應(yīng)用過(guò)程中，碳纖維與基體之間的作用可以在一定程度上避免裂紋的擴(kuò)展，因此，其具有良好的抗疲勞特性。

1.2.3 具有更高的破損安全性

在傳統(tǒng)的金屬材料的應(yīng)用中，一旦其受到破壞作用，其破壞、開(kāi)裂、脫黏過(guò)程基本可以一步到位，而碳纖維復(fù)合材料則不同，該破壞作用并不是瞬時(shí)的過(guò)程。如果斷裂的只是材料中的少部分纖維，那么基體依然可以進(jìn)行荷載的傳遞與分布，在一定程度上還可以對(duì)破壞作用起到一定的保護(hù)與延緩作用。

1.2.4 具有良好的減震性

就碳纖維復(fù)合材料的受力結(jié)構(gòu)來(lái)看，其自震頻率與本身的形狀、材料比模量二次方等存在緊密的聯(lián)系，一般情況下，材料的自震頻率較高，但是，碳纖維復(fù)合材料的界面可以進(jìn)行能量的吸收，因此，其具有良好的減震性能。

1.2.5 耐高溫、耐腐蝕

碳纖維復(fù)合材料本身具有耐高溫、耐腐蝕的特性，這種特性可以使碳纖維復(fù)合材料可以被廣泛地應(yīng)用于各種生產(chǎn)中。

2 碳纖維復(fù)合材料發(fā)展歷史與發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，碳纖維復(fù)合材料引起了人們的重視。就我國(guó)碳纖維復(fù)合材料的研究與應(yīng)用來(lái)看，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，逐步取得了一定的發(fā)展成果，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，初步形成了一條相對(duì)完善的碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈，碳纖維復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造等多個(gè)領(lǐng)域。就碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，其價(jià)格較高，因此，價(jià)格因素成為制約其應(yīng)用的重要因素，很多生產(chǎn)過(guò)程中將碳纖維復(fù)合材料作為輔料使用。另一方面，我國(guó)碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)與創(chuàng)新不足，多依賴于進(jìn)口，因此，未來(lái)需要加大該材料的研究力度。與普通的材料相比，零部件自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)可以達(dá)到控制成本的目的，因此，碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)零部件生產(chǎn)中將具有廣闊的發(fā)展前景。

3 碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)零部件開(kāi)發(fā)

碳纖維復(fù)合材料的特性決定了其可以在汽車(chē)生產(chǎn)與制造中發(fā)揮重要的作用。以美國(guó)、如本等發(fā)達(dá)國(guó)家為例，這些國(guó)家碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用技術(shù)已趨于成熟，寶馬I3電動(dòng)車(chē)車(chē)身就應(yīng)用了該材料，這是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的成功典范。就該材料在寶馬I3中的應(yīng)用來(lái)看，其主要突破了2方面的技術(shù)限制。1）開(kāi)發(fā)并使用了可以在汽車(chē)生產(chǎn)中使用的碳纖維復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)生產(chǎn)成本的有效控制。2）逐步開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了全新樹(shù)脂體系、高壓條件下的RTM成型技術(shù)，不僅保證了生產(chǎn)的效率，還達(dá)到了成本控制的理想效果，從而有利于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，因此，該應(yīng)用為碳纖維復(fù)合材料的大力推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。

東麗與豐田還聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種熱塑性較好的碳纖維復(fù)合材料、燃料電池反應(yīng)堆框架等，開(kāi)發(fā)出的這些技術(shù)成果在電池汽車(chē)中都取得了極為良好的應(yīng)用效果。就這種材料的開(kāi)發(fā)過(guò)程而言，其成型時(shí)間極短，其生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱固性材料，因此，這種特性為規(guī)?；⑴炕a(chǎn)提供了便利。

就我國(guó)碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)零部件生產(chǎn)中的應(yīng)用來(lái)看，其技術(shù)還不成熟，雖然少數(shù)企業(yè)逐步研發(fā)出了相關(guān)的碳纖維復(fù)合材料，但是其生產(chǎn)與應(yīng)用中還存在著諸多的限制因素，無(wú)法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)與使用。隨著我國(guó)政府對(duì)汽車(chē)生產(chǎn)行業(yè)宏觀政策的調(diào)整，許多汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)越來(lái)越關(guān)注碳纖維復(fù)合材料，但是常常受到技術(shù)等因素的限制，使其在汽車(chē)零部件的應(yīng)用中存在一定的限制。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用中還需要充分結(jié)合國(guó)家相關(guān)的規(guī)定來(lái)加以開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，從而使該材料的應(yīng)用能夠符合國(guó)家相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)生產(chǎn)行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

4 碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)零部件前景

近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展帶動(dòng)了人們生活水平的提高，因此，汽車(chē)需求逐步增加，我國(guó)逐步成為汽車(chē)生產(chǎn)與銷售大國(guó)。在汽車(chē)生產(chǎn)中，使用的復(fù)合材料類型較多，但是，有些復(fù)合材料的應(yīng)用范圍有限，并不能夠在汽車(chē)生產(chǎn)領(lǐng)域中大力推廣。隨著汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)生產(chǎn)與制造越來(lái)越關(guān)注其環(huán)保、節(jié)能發(fā)展的效果，尤其是近年來(lái)油價(jià)飆升，使高強(qiáng)、輕質(zhì)的碳纖維復(fù)合材料在未來(lái)的汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)中必然在占據(jù)著重要的位置，具有廣闊的發(fā)展空間，還會(huì)帶動(dòng)其他相關(guān)技術(shù)等的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)制造行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)、可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料基于其良好的性能優(yōu)勢(shì)，在汽車(chē)零部件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用中將具有良好的應(yīng)用前景，相關(guān)部門(mén)要加大對(duì)碳纖維復(fù)合材料的研究力度，提升該種材料的應(yīng)用價(jià)值，擴(kuò)展碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)生產(chǎn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，以適應(yīng)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展要求。

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