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說到碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)上的應(yīng)用，大家一定不會陌生。碳纖維復(fù)合材料在最近幾年發(fā)展迅猛。小到手機殼，簽字筆，大到汽車，飛機，碳纖維材料越來越多的出現(xiàn)。


 
隨著超跑制造商對速度越來越極致的追求，“輕量化設(shè)計”成為了近期的關(guān)鍵詞，想想也是，那些V10，V12引擎的性能又不能被無限壓榨，與其讓旗下的每臺跑車都成為布加迪威龍SS或邁凱輪奔馳SLR這種馬力、扭矩怪獸，倒不如另辟蹊徑，把車做的更輕一些，使車輛擁有大的馬力/質(zhì)量比，順著這個思路，一些輕量化材料越來越多的被應(yīng)用到車輛每一個部分，今天要介紹的就是這些輕量化材料中的主力軍：碳纖維。
 
汽車碳纖維：又稱汽車碳化纖維，泛指一些以碳纖維編織或多層復(fù)合而成的材料。因為它又輕又堅硬，所以它的用途很廣泛。
 
什么是碳纖維?
一般碳纖維的密度為1750 kg/立方米，如此低的密度讓其更是廣泛被使用于大型飛機，例如空中客機的A350與A380，波音787均利用碳纖維復(fù)合材料來減輕耗油量。另外大型風(fēng)力發(fā)電機的葉片，賽車、高端自行車的車身均為碳纖維復(fù)合材料需求量增加的重要因素。


 
碳纖維的結(jié)構(gòu)
直徑6微米的碳纖維與后面人類頭發(fā)的比較：每一根碳纖維由數(shù)千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5至8微米。在原子層面的碳纖維跟石墨很相近，是由一層層以六角型排列的碳原子所構(gòu)成。兩者差別在于層與層之間的連結(jié)。石墨是晶體結(jié)構(gòu)，它的層間連結(jié)松散，而碳纖維不是晶體結(jié)構(gòu)，層間連結(jié)是不規(guī)則的。這樣便防止滑移增強物質(zhì)強度。


 
碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強度一般都在3500MPa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000MPa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結(jié)構(gòu)組件時，往往利用其耐拉質(zhì)輕的優(yōu)勢而避免去做承受側(cè)面沖擊的部分。
 
碳纖維材料的優(yōu)勢
碳纖維是一種含碳量高于90%的無機高分子纖維，它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟性，制備碳纖維是一個繁雜的過程，從原絲到成品需要經(jīng)過預(yù)氧化，高溫炭化，石墨化，表面處理等諸多步驟，每一步驟又有著諸如碳化溫度，預(yù)氧時間等嚴(yán)格的參數(shù)限制；成品碳纖維的軸向強度高，密度低、比性能高，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，繁雜的生產(chǎn)過程無疑造就了它優(yōu)異的品質(zhì)。
 
如果咬文嚼字的話，應(yīng)用在超跑或賽車上的材料不能稱之為碳纖維，單純的碳纖維除用作絕熱保溫材料外一般不單獨使用，它多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料，所以準(zhǔn)確地說，賽車及超跑中的碳纖維應(yīng)稱作碳纖維增強的復(fù)合材料。近年來，在汽車領(lǐng)域碳纖維被越來越多地應(yīng)用，它帶來的效果是顛覆性的，諸多好處不勝枚舉。
 
碳纖維特點之一就是質(zhì)量輕，這種材料應(yīng)用在超跑或賽車上帶來最直觀的改變就是整車重量的降低，在動力系統(tǒng)不變的前提下，減重的車身會帶來更出色的加速感受，相對于扔掉空調(diào)、音響等配置的減重方法，碳纖維材料的應(yīng)用在保留舒適配置的同時達(dá)到了更好的效果，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車車身、底盤減輕重量40～60％，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)重量的1/3～1/6。
 
碳纖維為車輛輕量化做出的貢獻(xiàn)是毋庸置疑的，但更輕的質(zhì)量是否意味著更低的強度呢？答案是否定的！碳纖維復(fù)合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7-9倍，雖然只是軸向強度出色，但也足以滿足對車輛安全性能的需求，"越厚的鋼板意味著越高的安全性能"這種說法本身是不太正確的，決定車體安全水平的因素主要是看車架的結(jié)構(gòu)和強度，所以碳纖維材料的應(yīng)用與整車安全性能沒有太大關(guān)系。


 
除了上述優(yōu)點外，碳纖維復(fù)合材料還具有出色的耐熱性(可以耐受2000℃以上的高溫)及出色的抗熱沖擊性，這使得它成為了發(fā)動機罩的理想材料，另外它的熱膨脹系數(shù)很低，使得車輛在高熱情況下運轉(zhuǎn)也不會帶來變形，優(yōu)秀的抗腐蝕與輻射性能也是普通鋼材料不可比擬的。
 
說到碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)上的應(yīng)用，大家一定不會陌生。碳纖維材料在最近幾年發(fā)展迅猛。小到手機殼，簽字筆，大到汽車，飛機，碳纖維越來越多的出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中。要說碳纖維在汽車領(lǐng)域方面的應(yīng)用，大家最熟悉的應(yīng)該是車內(nèi)飾中應(yīng)用的碳纖維飾件了。然而碳纖維在汽車領(lǐng)域還有更重要的應(yīng)用，便是應(yīng)用于汽車車身。
 
針對碳纖維材料能否在未來汽車領(lǐng)域大放異彩這個問題，我想各位看客一定有自己的獨到見解。在這，我為各位簡單介紹一下碳纖維復(fù)合材料，碳纖維材料的優(yōu)缺點及其在現(xiàn)今汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。
 
首先，我們來簡單了解一下碳纖維材料。碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維和樹脂等材料通過一定比例混合，經(jīng)過一系列固化處理得到的具有優(yōu)異性能的新型材料。這種材料具有傳統(tǒng)金屬材料無法比擬的優(yōu)點。
 
優(yōu)點一：強度高。碳纖維復(fù)合材料的機械性能優(yōu)于金屬材料。其抗拉強度時普通鋼材的4-5倍，剛度是普通鋼材的3-4倍。人們越來越注重汽車的安全性，在“德系車與日系車誰能安全”“鐵皮厚與薄誰更安全”等問題上，汽車愛好者已討論多年，表面上是爭個誰對誰錯，但實質(zhì)上反映的事人們對于汽車安全性的看重。這樣一種高強度的材料應(yīng)用到車身上，汽車的安全性會大大增加。
 
優(yōu)點二：質(zhì)量輕。碳纖維復(fù)合材料在有著優(yōu)良機械性能的同時，又有著超輕的質(zhì)量。人們傳統(tǒng)意識中的“越結(jié)實就肯定越重”的觀念被徹底顛覆。在比普通鋼材強度高上數(shù)倍的同時，它的質(zhì)量僅為鋼材的數(shù)分之一。在越來越注重環(huán)境保護(hù)，越來越注重汽車燃油經(jīng)濟性的今天，輕車身已經(jīng)成為汽車發(fā)展的趨勢，由捷豹XE等車型所采用的全鋁車身便可見一斑。但全鋁車身有一個明顯的缺點——維修問題。相比鋁合金車身，碳纖維車身更易于維修。
 
碳纖維復(fù)合材料還有耐腐蝕，易于造型等優(yōu)點。上述這些優(yōu)點讓碳纖維復(fù)合材料成為車身制造的絕佳材料，甚至用它來制作輪輞。


 
當(dāng)然任何事物都不是完美的，有優(yōu)點便有缺點。其中最明顯的便是成本高，價格貴。碳纖維的生產(chǎn)和后續(xù)加工成本極高。這也就不難理解為什么寶馬i3，i8那么貴了，除了品牌價值，電力動力技術(shù)等，車身也絕對占了不少份額。另一個需要提到的是回收問題。目前關(guān)于碳纖維復(fù)合材料的回收還沒有很好的解決辦法，如果不能進(jìn)行再利用，將會對環(huán)境造成污染。國內(nèi)外不少團(tuán)隊正在關(guān)注這個問題，并致力于找到好的解決辦法。
 
這些優(yōu)缺點也造就了目前碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。現(xiàn)在其更多的應(yīng)用在超級跑車，F(xiàn)1賽車上。
 
值得一提的是，寶馬集團(tuán)對于碳纖維的關(guān)注和投入非常高。早在2009年德國西格里集團(tuán)與寶馬集團(tuán)就宣布共同成立合資公司，生產(chǎn)用于汽車工業(yè)的碳纖維和碳纖維織物。并在北美和德國建立分廠。在前段時間發(fā)布的寶馬i3，i8電動車的車身便采用的是碳纖維復(fù)合材料。寶馬M4的車頂也采用了碳纖維材料。
 
2014年5月9日，兩集團(tuán)又在位于美國華盛頓州摩西湖的西格里汽車碳纖維公司摩西湖工廠舉辦擴產(chǎn)奠基儀式，宣布繼續(xù)擴大這家合資企業(yè)的產(chǎn)能，計劃于2015年初完成擴建項目，碳纖維的年產(chǎn)能將達(dá)到9000噸。屆時，摩西湖工廠將成為世界上最大的碳纖維生產(chǎn)基地。在提高產(chǎn)能的同時，寶馬建立目標(biāo)，到2020年，將碳纖維車架的造價降低到與鋁制車架同一水平。由此可見寶馬對于未來汽車領(lǐng)域的重視，其卓識遠(yuǎn)見值得國內(nèi)汽車廠商學(xué)習(xí)。
 
汽車外殼大家都比較了解，有些人認(rèn)為汽車的車身外殼大家所說的鐵皮是鐵質(zhì)的，其實鐵皮并不局限于鐵質(zhì)合金，很多汽車品牌車身外殼采用鋁合金、高韌性材料或者碳纖維材料。對于鋁合金和塑料可能比較了解，碳纖維雖然不是什么新型材料但知道他的人并不多，只是有些車主在改裝時，在汽車外殼或裝飾品上貼上一層薄薄的仿碳纖維貼膜而已。說起碳纖維讓人立即聯(lián)想到高大上的汽車，扒開大腦想一想凡是應(yīng)用碳纖材料的汽車不是高端汽車就是賽道賽車，再有就是私人訂制和發(fā)燒友改裝的汽車了。碳纖維材料為什么如此受歡迎呢，它有什么優(yōu)點呢？
 
碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。 碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為 23000~43000Mpa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結(jié)構(gòu)組件時往往利用其耐拉質(zhì)輕的優(yōu)勢而避免去做承受側(cè)面沖擊的部分。
 
隨著從短纖碳纖維到長纖碳纖維的學(xué)術(shù)研究，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸進(jìn)入軍用和民用領(lǐng)域。車用碳纖維復(fù)合材料可用作汽車傳動軸、板簧、構(gòu)架和剎車片等制件。目前鋼鐵材料約占車體重量的3/4，如果汽車的鋼材部件全部由碳纖維復(fù)合材料置換，車體重量可減輕300kg，燃油效率提高36%，二氧化碳排放量可削減17%。


 
1、汽車車身和底盤的應(yīng)用，由于碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料有足夠的強度和剛度，是制造汽車車身和底盤等主要結(jié)構(gòu)件的最輕材料。預(yù)計碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車車身和底盤減輕質(zhì)量40% ～ 60%， 相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/3 ～ 1/6。常見的賽車車身、部分改裝車身都是為此，另外在視覺效果上絕佳非常炫酷。
 
2、剎車片的應(yīng)用，碳纖維還因為其環(huán)保和耐磨的特點而應(yīng)用在剎車片上，但含有碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)品都價格偏高，所以這種剎車片還主要應(yīng)用在高檔汽車上。碳纖維制動盤被廣泛用于競賽用汽車上，如F1 賽車。它能夠在50 ｍ的距離內(nèi)將汽車的速度從300 km/h 降低到50 km/h，此時制動盤的溫度會升高到900 ℃以上，制動盤會因為吸收大量的熱能而變紅。碳纖維制動盤能夠承受2 500 ℃的高溫，而且具有非常優(yōu)秀的制動穩(wěn)定性。
 
3、輪轂的應(yīng)用，德國的輪轂制造專家推出的輪轂系列，采取2 片式設(shè)計，外環(huán)為碳纖維材質(zhì)打造，內(nèi)轂為輕量化的合金，搭配不銹鋼制的螺絲，較一般同尺碼的輪轂質(zhì)量低40%左右。以20 寸的輪轂為例，該 輪轂質(zhì)量為6 kg，而一般輪轂約重18 kg。英國Kahm 公司使用CFRP 制得的RX-X 型高級汽車專用車輪，質(zhì)量僅為6 kg，可高速行駛，并可最大限度地降低車輪的徑向慣性力。由英國DYMAG 公司開發(fā)的世界最輕碳纖維/鎂車輪由碳纖維輪網(wǎng)和鎂剎車盤2 部組成，并用鍍鈦的特殊硬件連接起來。
 
4、傳動軸應(yīng)用 ，汽車傳動軸的受力情況比較復(fù)雜，尤其要承受很大的扭矩，充分考慮了碳纖維增強復(fù)合材料各向異性、比強度高和比模量相對較低的特點，從而使用碳纖維增強復(fù)合材料傳動軸能夠替代金屬產(chǎn)品，滿足使用要求。碳纖維傳動軸它不僅減輕了60%的重量，而且具有更好的耐疲勞性和耐久性。
 
汽車上碳纖維的應(yīng)用只要是為了實現(xiàn)汽車的輕量化的同時還能滿足足夠的汽車剛性需求，不但能達(dá)到節(jié)能減排的全球性需求，也能滿足大眾滿足大眾所關(guān)系的省油問題。碳纖材料可以作為未來汽車的主流材料，但是優(yōu)秀產(chǎn)品總有它的弊端那就是成本太高，小小部件價格都維持在上萬元，所以只要能降低成本碳纖材料就能成為主流材料。
 
關(guān)于未來車身能否采用碳纖維復(fù)合材料，這個還需要時間來驗證，但目前來看，是有這個趨勢的。能否解決掉碳纖維復(fù)合材料的那些缺點，或者如何來平衡其優(yōu)缺點是關(guān)鍵所在。不管未來如何，汽車車身的發(fā)展肯定是向著好的方向發(fā)展，最終受益的還是消費者。（文章來源：搜狐網(wǎng)）