碳纖維復(fù)合材料汽車零部件開發(fā)與應(yīng)用前景

黃培琦

【摘要】：為適應(yīng)汽車輕量化以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的社會潮流，各大車企和科研單位對復(fù)合材料的研究突飛猛進(jìn)。由于復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、隔熱和耐磨等優(yōu)異特點(diǎn)，復(fù)合材料必將在汽車輕量化的道路上扮演重要角色，以其特有強(qiáng)度、剛度及相對重量輕等特性，代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材鋁合金材用于汽車的各個零部件。復(fù)合材料可以應(yīng)用于眾多零部件，如汽車骨架、底盤、保險杠、傳動軸和板簧等主承力零部件;發(fā)動機(jī)罩、行李箱蓋、頂蓋、后翼子板和側(cè)圍等車身覆蓋件;儀表板、車門內(nèi)板等汽車內(nèi)飾件。本文收集并研究了國內(nèi)外復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用以及復(fù)合材料優(yōu)化技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】：碳纖維復(fù)合材料;汽車零部件;開發(fā)與應(yīng)用

引言

碳纖維復(fù)合材料具有強(qiáng)度大、可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)良性能，在汽車、航天航空等領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。在輕量化形勢下，碳纖維復(fù)合材料正得到許多飛機(jī)、汽車制造廠商的關(guān)注，這種材料相比于其他金屬等材料顯得更加的有潛力。復(fù)合材料優(yōu)化技術(shù)在結(jié)構(gòu)輕量化的領(lǐng)域中嶄露頭角。優(yōu)化技術(shù)在滿足零件實(shí)現(xiàn)功能的前提下優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)得到簡化，實(shí)現(xiàn)汽車零件的質(zhì)量得到減輕，從而實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計。

1、碳纖維復(fù)合材料在汽車上的開發(fā)現(xiàn)狀

碳纖維復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、模量高、耐腐蝕性好等諸多優(yōu)異性能，幾十年來，由于對該復(fù)合材料的研究不斷深入，為了充分發(fā)揮該材料的力學(xué)性能，復(fù)合材料在汽車等領(lǐng)域得到了大范圍的應(yīng)用，不管是在車身、懸架擺臂結(jié)構(gòu)、傳動軸等都可以看到碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，復(fù)合材料己經(jīng)成為輕量化家族中重要的一員。

碳纖維復(fù)合材料首次被應(yīng)用是在汽車領(lǐng)域，世界上首輛全車身復(fù)合材料汽車雪佛蘭于1953年在美國誕生，這一舉措代表著復(fù)合材料作為一種新型材料，在汽車上得到了真正的應(yīng)用。

早在2004年的歐洲就啟動了TECABS的項目，一共花費(fèi)了4年的時間完成了這個項目。該項目的就是想通過使用碳纖維復(fù)合材料來減輕汽車的質(zhì)量，成本低和低能耗是各個廠商所要追求的目標(biāo)。許多廠商、研究所也都相應(yīng)參加了這個項目，其中比較知名的企業(yè)包括雷諾、奔馳、保時捷等，還有來自瑞士、英國等的研究機(jī)構(gòu)。2009年，賽車企業(yè)蘭博基尼和波音公司研制出了碳纖維復(fù)合材料汽車車身及其他的零部件。

國內(nèi)外的一些研究機(jī)構(gòu)正在聯(lián)合企業(yè)和學(xué)校，大力發(fā)展碳纖維在汽車上的應(yīng)用。國內(nèi)的一些廠商大量改造汽車上的零部件，將能用復(fù)合材料替代的都給替換了，現(xiàn)在汽車上的各個零部件都正逐步采用碳纖維復(fù)合材料，比如輪毅、電池箱殼體、發(fā)動機(jī)罩、保險杠等。2003年，美國一家汽車公司展出Dodge ViperSRT汽車，車身包括內(nèi)部的擋板等結(jié)構(gòu)都統(tǒng)一采用碳纖維復(fù)合材料。

2、碳纖維復(fù)合材料汽車零部件開發(fā)與應(yīng)用前景

2.1蓄電池箱殼體中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料是目前最有市場前景的材料之一。該材料的用途也比較廣，汽車、航天航空、軍事化裝備等領(lǐng)域，是其他一些材料無法比擬的。以前針對不同的市場條件選用不同的材料，比如一些瓷器的包裝，就要用木質(zhì)的箱子裝，因?yàn)槟局频南渥淤|(zhì)地稍軟，可以一定程度上保護(hù)瓷器受到外界的破壞，但是木質(zhì)的箱子也有質(zhì)量較重、易潮濕、運(yùn)輸不方便的等缺陷;鋁合金材料的外包裝盒，雖然這種材料比較輕，容易攜帶，但是造價高是致命的缺點(diǎn)等?；蛟S是因?yàn)檫@些材料的不同的缺點(diǎn)才可以顯示出復(fù)合材料在不同的領(lǐng)域的優(yōu)勢，而市場上的那些木質(zhì)等材料會逐漸被這些性能優(yōu)異的材料所取代。因此對于蓄電池箱殼體的優(yōu)化設(shè)計，選用合適的材料顯得十分重要。

基體材料是復(fù)合材料中起傳遞作用的組成部分，它影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能。樹脂基體有很多優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)在工藝性和綜合性能較好。選用基體時需要考慮該材料的力學(xué)性能，同時還需考慮低成本制造。

增強(qiáng)材料是復(fù)合材料中的重要材料，它可以提高材料的彈性模量，選用時需要去想很多因素。材料在滿足正常使用的同時，需考慮其使用壽命的長短、強(qiáng)度的大小等因素。為了可以降低成本的，使用性能好的材料變成了設(shè)計的關(guān)鍵因素，所以在選擇材料時要對比剛度、強(qiáng)度等條件，從而確定纖維的種類。碳纖維的性能各方面比較優(yōu)越，軸向強(qiáng)度高和耐高溫特點(diǎn)為加工提供了條件，T300增強(qiáng)復(fù)合材料的性能相對穩(wěn)定，并且具有公開的數(shù)據(jù)，最重要的特點(diǎn)是價格低廉。

目前環(huán)氧樹脂5208和T300增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)合較成熟。所以本文采用這樣的結(jié)合作為分析結(jié)構(gòu)時所采用的材料。

2.2碳纖維復(fù)合材料懸架擺臂中的應(yīng)用

汽車的懸架擺臂結(jié)構(gòu)對汽車平穩(wěn)行駛有相當(dāng)程度的影響。汽車懸架擺臂是由兩個橫臂組成的獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)，具體的說是由上控制臂、下控制臂和減震器組成的。上下兩個控制臂可以消除掉在橫向方向上的力，這就減輕了減震器的壓力，而減震器只需承受上下方向的力，所以在彎路較多的路面上行駛時操控就變得容易了很多。懸架系統(tǒng)是汽車行駛過程中是不停歇的，該系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)越輕，則相應(yīng)的部件響應(yīng)的速度就會越快，那么減震的效果就會越好。

擺臂是汽車結(jié)構(gòu)中的受力件，如用碳纖維復(fù)合材料來制造擺臂，需要用用力學(xué)性能更優(yōu)良的的熱固性碳纖維材料。熱固性復(fù)合材料不能加工太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。擺臂有三個連接部位，除了圓圈類的軸銷外，另外兩個連接部分銷孔和與球鉸連接的焊接孔，都可以通過鋪層方式實(shí)現(xiàn)熱固性長絲纖維的制造。而銷孔這個連接，只能通過以下兩種方式去實(shí)現(xiàn)。改變連接形式或利用飛機(jī)上面的耳軸連接（鑲嵌金屬軸）?；趶某杀镜目紤]，可以改變連接形式去實(shí)現(xiàn)去車架的連接。

3、碳纖維復(fù)合材料汽車零部件前景

近年來，經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展帶動了人們生活水平的提高，因此，汽車需求逐步增加，我國逐步成為汽車生產(chǎn)與銷售大國。在汽車生產(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，并不能夠在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域中大力推廣。隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車生產(chǎn)與制造越來越關(guān)注其環(huán)保、節(jié)能發(fā)展的效果，尤其是近年來油價飆升，使高強(qiáng)、輕質(zhì)的碳纖維復(fù)合材料在未來的汽車生產(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，還會帶動其他相關(guān)技術(shù)等的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)汽車制造行業(yè)的長遠(yuǎn)、可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)語

總之，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和交通系統(tǒng)的全面完善，汽車產(chǎn)業(yè)己經(jīng)得到了飛速發(fā)展，復(fù)合材料也越來越多地在汽車上得到了應(yīng)用，輕量化的理念己滲透人心，對汽車上的復(fù)合材料零件進(jìn)行輕量化設(shè)計是未來幾年內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢和重要的發(fā)展前景。到目前為止，己經(jīng)有相當(dāng)部分企業(yè)將復(fù)合材料投入到汽車的各個零部件，同時優(yōu)化設(shè)計的理論和研究的方法都摻雜在設(shè)計的過程當(dāng)中。因此，更深入的研究優(yōu)化設(shè)計方法對現(xiàn)在的發(fā)展趨勢具有相當(dāng)程度的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。

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