碳纖維復合材料在汽車改裝領(lǐng)域的應用探討

(1.湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，湖北 十堰 442000；2.東風越野車有限公司，湖北 十堰 442000)

0 引言

我國最早的汽車改裝技術(shù)是20世紀70年代從香港引進的，引進的汽車改裝技術(shù)主要集中在廣東、北京和四川等地區(qū)，后來逐漸在長三角地區(qū)蔓延發(fā)展。伴隨中國政策的放開化發(fā)展，汽車改裝可行性水平得到提升。碳纖維復合材料以其輕量化、科技感的應用優(yōu)勢，成為汽車改裝領(lǐng)域的一個重要發(fā)展分支[1]。為了能夠更好地促進汽車改裝領(lǐng)域的發(fā)展，現(xiàn)就碳纖維復合材料在汽車改裝領(lǐng)域的應用情況進行探究。

1 碳纖維的產(chǎn)生和基本構(gòu)成

碳纖維是在20世紀60年代開始快速發(fā)展起來的一種高科技、纖維狀碳材料。碳纖維這類材料以聚丙烯晴、瀝青、粘膠纖維作為基本原材料，經(jīng)過預氧化和碳化加工之后制作形成碳含量在90%比例以上的高性能纖維。碳纖維具備高強度、高比模量、耐腐蝕、耐高溫、振動衰減性高、導熱和導熱性能良好的特點。碳纖維材料在2 000 ℃以上的高溫環(huán)境中也會保持自身原有的強度不變。

從實際應用情況來看，碳纖維不僅具備碳材料的性能，而且還具備紡織纖維的可加工性，是新一代的強化纖維材料。碳纖維以樹脂、陶瓷、碳元素、金屬作為基礎(chǔ)材料，經(jīng)過一系列的復合加工之后形成性能良好的碳纖維復合材料。碳纖維復合材料不僅可以作為一種力承載結(jié)構(gòu)材料，而且也可以作為一種功能性材料被人們應用到高科技領(lǐng)域[2]。

2 碳纖維復合材料的應用特點

2.1 質(zhì)輕高強

汽車上經(jīng)常使用的碳纖維增強樹脂復合材料密度為1.5～2 g·cm-3，密度僅僅為普通碳鋼的20%～25%，甚至比鋁合金還要輕33.3%左右。從實際應用情況來看，碳纖維復合材料的機械性能要優(yōu)于金屬材料，其抗拉強度是鋼材的3～4倍，剛度是鋼材料的2～3倍。按照強度比例的計算，碳纖維復合材料超過了碳鋼和一些合金鋼，因而在使用的時候顯示出較高的強度比。在使用碳纖維材料之后不僅會降低車身的質(zhì)量，而且還會降低車的功率。為此，在汽車改裝設(shè)計的時候人們常會選擇碳纖維材料作為做為傳統(tǒng)金屬零件的替代品，由此能夠減少動能和沖擊危險。

2.2 可設(shè)計性良好

碳纖維復合材料的可設(shè)計性良好，在使用的時候可以按照不同用途來靈活地進行產(chǎn)品設(shè)計。結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和受力情況通過調(diào)節(jié)纖維結(jié)構(gòu)或者排列制作不同厚度的制品，可以提升零部件的整體剛性。

將碳纖維材料按照受力的方向進行排列布置能夠在最大限度上發(fā)揮出碳纖維復合材料的強度優(yōu)勢，將其應用到汽車改裝中能夠達到節(jié)約材料和降低重量的目的[3]。

2.3 零部件的一體化

從節(jié)能的角度考慮，汽車應被設(shè)計成空氣阻力最小的外形，鋼材料制作的薄板在壓力成形的時候會受到可加工性能的限制，而碳纖維復合材料更易實現(xiàn)根據(jù)需要來制作成各個形狀的曲面，從而達到一體化的成型效果，充分滿足汽車的空氣動力學設(shè)計要求和美觀設(shè)計要求。

模塊化、整體化和一體化也是汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個發(fā)展趨勢，碳纖維復合材料通過科學的模具設(shè)計能夠?qū)⒉煌穸鹊牧悴考牧霞庸こ梢惑w化的模型。由此可見，復合材料適合應用在替代鋼制薄板的零件中，且在加工制作的時候能夠提升整車的基本性能。

2.4 抗沖擊性

碳纖維復合材料的抗沖擊性良好，以聚合物為載體的碳纖維材料具備良好的彈性性能，在使用的時候能夠吸收外界對車輛的沖擊。同時，碳纖維材料的各個基體之間會形成相對運動，振動衰減系數(shù)也會被增大，在行駛車輛出現(xiàn)較大沖擊的時候可以及時吸收這些能量，最終達到保障人身安全的目的。

3 碳纖維復合材料在汽車改裝領(lǐng)域的應用

3.1 碳纖維輪轂

碳纖維復合材料在汽車輪轂制作中的應用，能夠提高輪轂的質(zhì)量，從而有助于轉(zhuǎn)動慣量。從實際應用上來看，簧下質(zhì)量每減少1 kg，輪轂輕量化效果約等于簧上質(zhì)量減少6 kg，所以碳纖維輪轂會顯著改善車輛的操控性能。碳纖維材料以其穩(wěn)固性能和堅韌的材質(zhì)還能夠更好地完成轉(zhuǎn)向反應、傳遞路感等輪轂性能要求，進而提高車輛的行駛速度。

3.2 制動系統(tǒng)

碳纖維復合材料在制動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)中同樣有著廣泛的應用[4]。碳纖維制動盤具備良好的耐高溫性，在實際應用的過程中可以承受超過2500 ℃的溫度，且在使用的過程中能夠保證車輛制動盤的安全性和穩(wěn)定性。

保時捷918 spider應用碳纖維復合材料制作制動盤能實現(xiàn)在50 m以內(nèi)，使車速從300 km·h-1降低到50 km·h-1。從實際使用情況來看，碳纖維材料制作的傳動軸不僅會降低車輛的質(zhì)量，而且還會增強車輛的耐久性。

3.3 汽車進氣系統(tǒng)、發(fā)動機領(lǐng)域

碳纖維復合材料作為汽車進氣系統(tǒng)材料，一方面可減輕其質(zhì)量，使整個汽車系統(tǒng)的設(shè)計更加簡潔、輕便；另一方面還能夠?qū)⑵浼庸こ刹煌男螤?，滿足汽車在不同情況下的行駛需要，并有效提高汽車進氣效率。另外，從實際應用情況來看，碳纖維良好的耐高溫性能能夠幫助汽車承受更高的工作溫度。

3.4 汽車內(nèi)飾、門窗等領(lǐng)域

碳纖維復合材料的緩沖和減震效果良好，對外界的撞擊會產(chǎn)生良好的緩沖作用，在汽車發(fā)生撞擊的時候能夠減少因為撞擊產(chǎn)生的碎片，從而提升汽車的安全性能[5]。碳纖維內(nèi)裝飾材料在汽車加工中的應用還能夠簡化汽車的生產(chǎn)制造加工流程，降低汽車加工制造的成本。

3.5 碳纖維材料在傳動軸中的應用

碳纖維材料的各向異性、比強度高、比模量較低的特點能夠在傳動軸上充分發(fā)揮出來。和普通的鋼材相比，在將碳纖維材料應用到車身上，可以在同等重量和直徑的情況下，使得車輛的抗扭矩力達到鋼材的170%以上。不僅如此，將碳纖維材料應用到改裝車的轉(zhuǎn)動軸上還能夠有效降低轉(zhuǎn)動軸的重量，增強車輛的耐久性和抗疲勞性[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，在社會的發(fā)展進步下，高性能纖維材料和復合材料取得了突破性的發(fā)展，加上人們對汽車加工生產(chǎn)要求的提高，碳纖維零件已成為汽車輕量化發(fā)展的一個重要方向。在這樣的發(fā)展背景下，越來越多的車用金屬零件將會被碳纖維復合材料零件替代，越來越多的碳纖維材料也會被人們應用到汽車改裝領(lǐng)域。但是與國外的碳纖維產(chǎn)業(yè)相比，我國現(xiàn)階段生產(chǎn)的碳纖維質(zhì)量不高、離散系數(shù)比較大、生產(chǎn)成本高，碳纖維材料的小批量生產(chǎn)、高附加值生產(chǎn)帶來的高成本將會是阻礙碳纖維零部件市場化的一個重要因素。在發(fā)展碳纖維材料的過程中需要相關(guān)人員進一步優(yōu)化碳纖維材料的制造模式，提高碳纖維材料的制造效率，從而更好的發(fā)揮出碳纖維材料在改裝車生產(chǎn)加工中的優(yōu)化作用。

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