碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)改裝領(lǐng)域的應(yīng)用

童喆益 施靜 趙鑫

摘 ?要：隨著國(guó)家政策的逐步放開(kāi)，汽車(chē)后市場(chǎng)改裝的可行性進(jìn)一步提升。碳纖維復(fù)合材料所具有的輕量化特征，及其體現(xiàn)出的強(qiáng)烈科技感，使得碳纖維車(chē)用改裝件成為汽車(chē)改裝領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。汽車(chē)改裝領(lǐng)域?qū)⒊蔀槔^軌道交通領(lǐng)域之后，又一個(gè)碳纖維產(chǎn)品得以施展拳腳的重要市場(chǎng)。

關(guān)鍵詞：碳纖維;復(fù)合材料;輕量化;汽車(chē)改裝

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）18-0195-02

Abstract： With the gradual liberalization of national policy， the feasibility of retrofitting the automobile market has been further improved. The lightweight characteristics of carbon fiber composites and their strong sense of science and technology make carbon fiber vehicle modified parts become an important branch in the field of automobile modification. The field of automobile modification will become another important market for carbon fiber products after the field of rail transit.

Keywords： carbon fiber; composite materials; lightweight; automobile modification

1 汽車(chē)改裝在世界

相比于發(fā)展中國(guó)家，在發(fā)達(dá)國(guó)家，汽車(chē)改裝文化更為盛行，一方面是由經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)決定的，另一方面在于領(lǐng)先的汽車(chē)制造技術(shù)和深厚的汽車(chē)文化底蘊(yùn)。在歐美日等傳統(tǒng)汽車(chē)強(qiáng)國(guó)，許多汽車(chē)公司有其專(zhuān)屬配套的改裝機(jī)構(gòu)，比較著名的包括奔馳的AMG，寶馬的M PERFORMANCE，奧迪的ABT，以及為日系車(chē)配套的TRD、NISMO等。

從地域板塊來(lái)看，主要分為三個(gè)板塊：首先是歐洲板塊，這部分的汽車(chē)改裝，更多地延伸了原廠品牌文化的特色，歐洲很多汽車(chē)公司都有自己認(rèn)證的改裝廠，使得這類(lèi)改裝依舊保留濃重的品牌色彩;其次是北美板塊，車(chē)輛的改裝是完全的個(gè)性化定制，甚至可以徹底脫離原車(chē)框架，對(duì)性能和外觀造型進(jìn)行全面改裝;第三即亞洲板塊，雖然擁有最先進(jìn)的軟硬件技術(shù)，改裝后的汽車(chē)也具有相當(dāng)高的實(shí)用性，但尚沒(méi)有得到法律支撐，依然以地下工廠的形式運(yùn)作著。

2 汽車(chē)改裝在中國(guó)

2.1 起步晚，增速快

我國(guó)最初的汽車(chē)改裝是上世紀(jì)70年代從香港引進(jìn)的。目前主要集中在廣東地區(qū)以及北京、四川等地，并逐漸向長(zhǎng)三角及環(huán)渤海灣地區(qū)發(fā)展。

國(guó)內(nèi)改裝車(chē)市場(chǎng)近年來(lái)發(fā)生爆發(fā)式增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年國(guó)內(nèi)改裝車(chē)需求市場(chǎng)消費(fèi)規(guī)模為760億元人民幣，2016年則已突破1500億元。

2.2 國(guó)家政策正逐步放開(kāi)

我國(guó)對(duì)于改裝車(chē)的管理是較為嚴(yán)格的。根據(jù)《機(jī)動(dòng)車(chē)登記規(guī)定》相關(guān)條款，對(duì)于可能造成與車(chē)輛出廠技術(shù)參數(shù)不符的改裝，都有可能無(wú)法通過(guò)年檢甚至被查扣。

隨著2014年10月新版《機(jī)動(dòng)車(chē)登記規(guī)定》的發(fā)布以及2016年7月《中國(guó)汽車(chē)改裝標(biāo)準(zhǔn)目錄》的公布，機(jī)動(dòng)車(chē)可以采用先執(zhí)行后登記的模式進(jìn)行注冊(cè)登記，為汽車(chē)改裝行業(yè)帶來(lái)了極大的便利。

2.3 個(gè)人是市場(chǎng)主要主體對(duì)象

汽車(chē)改裝分為兩大類(lèi)：一是指專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)改裝汽車(chē)的廠家，用國(guó)家鑒定合格的發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)或總成，重新設(shè)計(jì)改裝與原車(chē)型不同的汽車(chē);第二類(lèi)則是已經(jīng)領(lǐng)有牌照的汽車(chē)，為了某種使用目的，在原車(chē)總成的基礎(chǔ)上，做一些技術(shù)改造。[1]

前者在國(guó)內(nèi)無(wú)法鋪開(kāi)，其根本原因在于相對(duì)落后的汽車(chē)研發(fā)技術(shù)和生產(chǎn)加工技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)整車(chē)廠將有限的資金都投入到車(chē)輛底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱方面的研發(fā)，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法開(kāi)發(fā)出具有市場(chǎng)效應(yīng)的系統(tǒng)產(chǎn)品以及衍生產(chǎn)品;再加上4S店無(wú)法成為消費(fèi)者和制造廠商溝通的橋梁，導(dǎo)致整車(chē)廠無(wú)法有效了解到客戶(hù)群體的要求。所以，以個(gè)人為消費(fèi)主體，以后期改裝為切入口的第二類(lèi)改裝，在當(dāng)前甚至今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，將是國(guó)內(nèi)車(chē)輛改裝市場(chǎng)的主要模式。

3 碳纖維化改裝的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

3.1 優(yōu)勢(shì)

碳纖維是一種含碳量高于90%的無(wú)機(jī)高分子纖維，是高端纖維增強(qiáng)材料之一。碳纖維復(fù)合材料相比傳統(tǒng)金屬材料具有密度低、比模量高、比強(qiáng)度高、耐疲勞性好、耐化學(xué)腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)。

碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在車(chē)輛上可以有效降低整車(chē)重量，一來(lái)可以提升車(chē)輛的加速性能，二來(lái)可以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效應(yīng)。數(shù)據(jù)顯示，若將車(chē)體重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%;汽車(chē)整備質(zhì)量每減少100千克，百公里油耗可降低0.3～0.6升。隨著《乘用車(chē)燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》的發(fā)布，通過(guò)減重的方式提升燃油經(jīng)濟(jì)性成為眾多汽車(chē)廠商優(yōu)先選擇的方式。

除了上述優(yōu)點(diǎn)外，碳纖維復(fù)合材料還具有出色的耐熱性及出色的抗熱沖擊性，這使得它成為了發(fā)動(dòng)機(jī)罩的理想材料;另外它的熱膨脹系數(shù)很低，使得車(chē)輛在高熱情況下運(yùn)轉(zhuǎn)也不會(huì)帶來(lái)變形;優(yōu)秀的抗腐蝕與輻射性能也是普通鋼材料不可比擬的。

3.2 劣勢(shì)

碳纖維改裝的主要劣勢(shì)體現(xiàn)在兩方面，一是成本較高，二是碳纖維行業(yè)與汽車(chē)行業(yè)規(guī)則上的不同和對(duì)接。

3.2.1 碳纖維產(chǎn)品使用成本高

碳纖維產(chǎn)品成本高是顯而易見(jiàn)的，原材料初始成本以及制造工藝和生產(chǎn)模式導(dǎo)致了碳纖維產(chǎn)品價(jià)格居高不下。

目前常見(jiàn)的碳纖維構(gòu)件，大多是力學(xué)支撐件、外觀件或者空氣動(dòng)力學(xué)套件，這些構(gòu)件在日常車(chē)輛運(yùn)行的過(guò)程中，易出現(xiàn)碎石沖擊、剮蹭、甚至車(chē)輛撞擊;同時(shí)，碳纖維構(gòu)件不同于鈑金件，其維修的可能性很低，在產(chǎn)品損壞以后，更換零件的可能性更高。所以，購(gòu)買(mǎi)碳纖維產(chǎn)品的終端客戶(hù)除了要負(fù)擔(dān)較高的首次費(fèi)用以外，還需要在后期維護(hù)、保養(yǎng)、更換等方面發(fā)生費(fèi)用。

3.2.2 碳纖維行業(yè)與汽車(chē)行業(yè)規(guī)則上的不同

碳纖維產(chǎn)品依然停留于小批量、高附加值的生產(chǎn)模式，而這種生產(chǎn)模式顯然是無(wú)法滿(mǎn)足批產(chǎn)化生產(chǎn)的普通家庭用車(chē)的。所以，目前的碳纖維產(chǎn)品更多的出現(xiàn)在生產(chǎn)數(shù)量相對(duì)較少的高端汽車(chē)或是跑車(chē)上面，或是以個(gè)性化改裝的方式來(lái)滿(mǎn)足一部分客戶(hù)群體的需要。

4 碳纖維材料改裝應(yīng)用

4.1 車(chē)身外構(gòu)件

車(chē)身外構(gòu)件是目前碳纖維材料最多運(yùn)用的地方，諸如引擎蓋、車(chē)頂、車(chē)門(mén)、擾流板等構(gòu)件經(jīng)?？梢钥吹教祭w維復(fù)合材料的身影。碳纖維復(fù)合材料擁有更高強(qiáng)度和模量，使其在同等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度條件下，重量?jī)H為普通鋼材的40%左右，應(yīng)用后能夠大幅降低車(chē)體重量，有效提高車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，在競(jìng)速車(chē)輛中體現(xiàn)的尤為明顯。

4.2 剎車(chē)片

碳纖維復(fù)合材料能夠承受1000℃以上高溫，同時(shí)有別于傳統(tǒng)金屬材料，碳纖維復(fù)合材料不存在熱損耗的問(wèn)題，使其擁有非常出色的穩(wěn)定性。該類(lèi)產(chǎn)品已經(jīng)大量營(yíng)運(yùn)于F1和GT系列競(jìng)賽汽車(chē)上。

4.3 輪轂

英國(guó)Kahm公司使用CFRP制得的RX-X 型高級(jí)汽車(chē)專(zhuān)用輪轂，質(zhì)量?jī)H為6kg，可高速行駛，并可最大限度地降低車(chē)輪的徑向慣性力;瑞典Koenigsegg公司2013款A(yù)gera R型跑車(chē)搭載的世界上第一個(gè)中空、一片式碳纖維輪轂，在降低約20kg的簧下質(zhì)量的同時(shí)，依然保證良好的安全和抗沖擊性能。

4.4 傳動(dòng)軸應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所具備的各向異性、比強(qiáng)度高和比模量相對(duì)較低的特點(diǎn)，在傳動(dòng)軸產(chǎn)品上得以充分發(fā)揮。與普通鋼材相比，質(zhì)量可以減輕一半以上;在同等重量和直徑的條件下，扭矩力可以達(dá)到鋼材的170%以上;另外，碳纖維傳動(dòng)軸在有效降低傳動(dòng)軸重量的情況下，將擁有更好的耐疲勞性和耐久性。

BMW是碳纖維車(chē)輛零部件的堅(jiān)定支持者和引領(lǐng)者，不同于科尼塞克等高端跑車(chē)，BMW已經(jīng)降低了碳纖維零部件的準(zhǔn)入門(mén)檻。新一代7系轎車(chē)，M4跑車(chē)以及i3，i8跑車(chē)就大量使用了碳纖維技術(shù)。新7系的“Carbon Core高強(qiáng)度碳纖維內(nèi)核車(chē)身”在車(chē)頂橫梁結(jié)構(gòu)以及B柱和C柱、底部側(cè)圍、中央通道和后部支撐起到控制體重關(guān)鍵的作用，使得全新730Li領(lǐng)先型車(chē)重只有1830kg;i3跑車(chē)則采用了純碳纖維座艙設(shè)計(jì)，該座艙是寶馬與德國(guó)SGL碳纖維公司合資建立全新工廠，以高度自動(dòng)化方式生產(chǎn)的;寶馬致力于將碳纖維在車(chē)身上比例再進(jìn)一步提高，比如全碳纖維方向盤(pán)以及像是新款M3/M4所使用的碳纖維傳動(dòng)軸;進(jìn)一步，寶馬已經(jīng)完成了碳纖維輪圈的制造布局，預(yù)計(jì)在若干年內(nèi)這些碳纖維輪圈就會(huì)出現(xiàn)在市場(chǎng)上。寶馬制成的碳纖維輪圈將比鍛造鋁圈輕35%，這將使車(chē)身重量大幅減少……

5 結(jié)束語(yǔ)

碳纖維零件已經(jīng)成為汽車(chē)輕量化研究的一個(gè)主要方向，未來(lái)幾年內(nèi)，車(chē)用金屬零件將更多地被碳纖維復(fù)合材料零件所替代，碳纖維零部件也將更多地出現(xiàn)在汽車(chē)改裝領(lǐng)域。但我們也必須深刻認(rèn)識(shí)到碳纖維產(chǎn)品小批量、高附加值生產(chǎn)模式所帶來(lái)的高成本，這將會(huì)是阻礙碳纖維復(fù)合材料零件快速市場(chǎng)化的一個(gè)重要因素。優(yōu)化制造模式，提升制造效率，降低碳纖維零件生產(chǎn)成本，將成為碳纖維制造領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]高巍.從“遮遮掩掩”到“堂堂正正”政策放寬后的汽車(chē)改裝市場(chǎng)前景看好[J].當(dāng)代汽車(chē)，2008（10）：10-11.