[學(xué)習(xí)]碳纖維增強(qiáng)材料在汽車上的應(yīng)用

1、碳纖維增強(qiáng)材料在汽車中的應(yīng)用,制作人：王萍,目錄,碳纖維發(fā)展歷程和現(xiàn)狀碳纖復(fù)合材料的特性碳纖復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的前景與展望,一、碳纖維發(fā)展歷程和現(xiàn)狀發(fā)展歷程,碳纖維是一種兼具碳材料的強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征的化工新材料，是新一代的增強(qiáng)纖維。國外PAN基碳纖維的研究與開發(fā)開始于20世紀(jì)60年代。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。我國8

2、0年代開始研究高強(qiáng)型碳纖維，進(jìn)入21世紀(jì)以來發(fā)展較快，安徽華皖碳纖維公司率先引進(jìn)了500噸/年原絲、200噸/年P(guān)AN基碳纖維(只有東麗碳纖維T300水平)，使我國碳纖維工業(yè)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化。,發(fā)展現(xiàn)狀,隨著工程技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，對材料性能的要求越來越高。先進(jìn)的復(fù)合材料由于性能優(yōu)良，已成為一種極其重要的工程材料。有關(guān)先進(jìn)復(fù)合材料的研究、發(fā)展和應(yīng)用一直是高科技材料技術(shù)的重要內(nèi)容之一，而碳纖維在此領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。在現(xiàn)代尖端技術(shù)發(fā)展中

3、，已成為一種不可缺少的新型材料。 自從1953年第一輛全復(fù)合材料車身的汽車問世以來，復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用不斷增多。如今隨著汽車輕量化浪潮的出現(xiàn)，碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用日益受到追捧。,發(fā)展現(xiàn)狀（舉例）,2008年6月，東麗公司成立其汽車研發(fā)中心，主要任務(wù)就是開發(fā)碳纖維復(fù)合材料（CFRP）零部件在汽車領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用，并于2009年4月成立了先進(jìn)復(fù)合材料中心。2010年4月，美國碳纖維領(lǐng)先制造商卓爾泰克（Zol

4、tek），宣布已成立一個新的子公司，稱為 Zoltek Automotive（卓爾泰克汽車公司），加快對輕質(zhì)碳纖維在汽車業(yè)大幅應(yīng)用的領(lǐng)域。日本帝人集團(tuán)的總裁，也同樣對進(jìn)軍碳纖維市場充滿信心，認(rèn)為通過未來幾年在車輛中使用碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP），能夠幫助電動汽車車身減重一半以上。,二、碳纖維復(fù)合材料（CFRP）特性,碳纖維復(fù)合材料（CFRP）以其質(zhì)量小強(qiáng)度高剛性高良好的耐蠕變與耐腐蝕性成為最理想的汽用輕量化材料。,,碳（石墨

5、）纖維碳（石墨）纖維是以有機(jī)纖維――聚丙烯晴（PAN）纖維、粘膠纖維、瀝青纖維等原絲經(jīng)過預(yù)氧化、碳化、石墨化等高溫固相反應(yīng)工藝過程制備而成，由有擇優(yōu)取向的石墨微晶構(gòu)成，因而具有很高的強(qiáng)度和彈性模量（剛性）。它的比重一般為1.70～1.80g/cm3，強(qiáng)度為1200～7000MPa，彈性模量為200～400GPa，熱膨脹系數(shù)接近于零，甚至可為負(fù)值（～1.5×10-6）。,碳纖維與石墨纖維特性對比,三、碳纖復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域中的

6、應(yīng)用,碳纖維復(fù)合材料（CFRP）借助其優(yōu)異的性能，如今在汽車車身、尾翼、汽車底盤，發(fā)動機(jī)罩、汽車內(nèi)飾等各個地方我們都能夠發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的身影。,梅賽德斯-奔馳新款SLR Mclaren,梅賽德斯-奔馳新款SLR Mclaren高性能跑車幾乎完全由碳纖維復(fù)合材料制成。輕量化、高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料最早用于航空和航天工業(yè)，其優(yōu)點(diǎn)也在當(dāng)今F1賽車中得到了證明。重量比鋼降低50%，而在碰撞中的能量吸收能力卻比鋼或鋁高4-5倍。梅賽德斯

7、-奔馳為了充分利用這些特性，在新款SLR Mclaren的前端結(jié)構(gòu)中嵌入了兩根長度為620毫米的碳纖維縱梁，在發(fā)生正面碰撞時可吸收所有的碰撞能量，從而確保乘員艙完好無損。值得一提的是，新款SLR Mclaren的乘員艙也完全由碳纖維復(fù)合材料制成，在發(fā)生側(cè)面或尾部碰撞時，也能夠?yàn)槌丝吞峁┓浅３渥愕陌踩臻g。,提高安全性,抗疲勞、耐腐蝕，保持長期的時尚外觀,從圖中展示的蘭博基尼（Lamborghini ）super sports cars

8、來看，在裝飾上，碳纖維提供了一個極其個別的高科技美感，并從航空業(yè)證明，碳纖維復(fù)合材料在抗疲勞，耐腐蝕，延長車身受命上得到有效證明，可讓車身更具有長期的時尚外觀。,蘭博基尼（Lamborghini ）super sports cars,,碳纖維復(fù)合材料工藝不光是在車身上的應(yīng)用，也在一些零部件上得到大量的使用，而逐漸替代金屬的不足。采用復(fù)材的特殊工藝，可將較為復(fù)雜的汽車部件一體化或減少汽車部件，如整體的車頂、汽車引擎罩與葉子板，汽車的座艙

9、也可減少到5-7件，這樣大大地提高了汽車整體剛性，節(jié)省了材料。,寶馬M3汽車整體碳纖維復(fù)材車頂,寶馬M3雙門轎跑碳纖維車頂版比普通版輕了5公斤。碳纖維車頂降低自重的同時，也大幅降低了車輛的重心。對于高性能車來說，車頂上的5公斤和在底盤上的5公斤在高速過彎時對車身產(chǎn)生的側(cè)傾力矩完全不在同一量級上，重心降低勢必將帶來更強(qiáng)的動態(tài)穩(wěn)定性。除了裝備碳纖維車頂，還在前保險(xiǎn)杠下面的裙邊、后擾流板以及內(nèi)飾等部位使用碳纖維材質(zhì)。,,,碳纖維裙邊,,

10、阿爾法羅密歐8C Competizione,8C Competition像外觀一樣，車廂也是精致和樣式的體現(xiàn)。將皮子、鋁和碳纖維這樣的優(yōu)質(zhì)材料分散用于車廂各處，形成了典雅和運(yùn)動特性的良好結(jié)合。,兩個碳纖維桶形座椅由華麗的紅色真皮所覆蓋，給予了充足的支撐，但是僅能手動調(diào)節(jié)。,,碳纖維進(jìn)氣系統(tǒng)超導(dǎo)流碳纖維進(jìn)氣系統(tǒng)從空氣濾清器到進(jìn)氣導(dǎo)管全部嚴(yán)格打造，并采用100%純碳纖維材質(zhì)制造的圓柱狀集氣筒，其質(zhì)堅(jiān)、量輕與隔熱的特點(diǎn)，讓進(jìn)氣的溫度完全不受

11、引擎室高溫所影響。,,碳纖維引擎罩,,車頭水箱罩和定風(fēng)翼,四、碳纖維復(fù)合材料的前景與展望,在交通領(lǐng)域，碳纖維擴(kuò)大應(yīng)用的最大希望在于汽車業(yè)。國外的各大主要汽車廠家，均競相開發(fā)CFRP（碳纖維復(fù)合材料）化的節(jié)能、環(huán)保和安全性汽車。新一代的汽車要求大大地降低能耗，最重要的措施之一就是減輕汽車質(zhì)量，用一般鋼材是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此采用復(fù)合材料是最有效的辦法。設(shè)計(jì)表明，一輛典型小車的碳纖維用量可以超過113 kg。在這一領(lǐng)域僅僅為了滿足北美的需求，

12、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。因此碳纖維復(fù)合材料用作汽車材料，將具有廣闊的發(fā)展前景。,,隨著國際碳纖維市場的迅速發(fā)展，需求量的不斷增長也給中國碳纖維行業(yè)提供了難得的發(fā)展機(jī)遇。隨著應(yīng)用研究的進(jìn)一步深入，未來碳纖維產(chǎn)品將趨向于高性能化，汽車用碳纖維復(fù)合材料零、部件成本也將會不斷降低，并且在未來的持續(xù)發(fā)展中碳纖維復(fù)合材料完全可以取代金屬用于汽車的結(jié)構(gòu)中將繼續(xù)保持大幅增長趨勢。受益于龐大的內(nèi)需市場，碳纖維增強(qiáng)材料汽車零部