碳纤维材料在汽车零部件的应用前景

【摘 要】碳纤维材料的应用能够使汽车的零部件更轻，同时使其承压力更好，非常符合汽车未来的发展趋势。碳纤维是实现汽车轻量化这一未来目标的重要材料，因此碳纤维在汽车零部件的制造中必然具有广阔的应用前景。笔者以下就对通过对碳纤维材料在汽车零部件应用中具备的的优良特性，以及其在汽车零部件中的应用情况及广泛推广应用存在的问题等各个方面对碳纤维材料在汽车零部件应用中的前景进行了分析。

【关键词】碳纤维材料 汽车零部件 应用 前景

碳纤维被誉为“黑色黄金”，它同时兼具了碳材料的固有特性和纺织纤维的柔软性两种属性。碳纤维从原丝到成品需经历多道工艺，其最大的优点之一就是质量轻。因此，将碳纤维应用到汽车零部件中最为突出的改变就是能够在保持其动力系统不变的基础上，极大地减轻整车的质量。而轻量化正是汽车发展的主要趋势之一，汽车的轻量化是实现现代汽车设计“安全、舒适、节能、环保”四项要求重要途径[1]。鉴于以上汽车行业的发展趋势，以及碳纤维在汽车零部件应用中的优势作用，碳纤维在汽车零部件中的应用必将具有广阔的前景。笔者以下就从各个方面对碳纤维材料在汽车零部件的应用前景进行了阐述。

1 碳纤维材料

碳纤维材料就是纤维状的碳素材料，其主要的成分就是碳元素，含碳量高达90%以上。碳纤维材料的制备需要经历多道工艺，主要包括预氧化、高温碳化、石墨化以及表面处理等。每一根碳纤维都是由数千条更加细小的碳纤维组成的，其直径约为5-8μm，24k以下为小丝束。碳纤维与钢相比，其比重非常小，不到钢的1/4，但是其抗拉强度却远高于刚，是钢的7-9倍。碳纤维材料不仅仅具有碳本身所固有的基本特性，同时还兼具了纺织纤维的柔软性和可加工性，属于一种新型的增强型纤维[2]。

2 碳纤维在汽车零部件应用中的优势

2.1 碳纤维材料具有质轻高强的特性

汽车零部件制造中使用到的碳纤维材料，其密度较小，与普通的钢材相比，只有其密度的1/4—1/5，其质量比铝合金还要轻，但是碳纤维材料的机械性能却远远优于传统金属材料。碳纤维材料与传统的钢材相比，其抗拉强度是钢材的3—4倍，刚度则是钢材的2—3倍，耐疲劳性则是钢材的2倍，热膨胀系数则较钢材小4—5倍，但是其质量却比钢材轻3—4倍。因此，使用碳纤维材料能够使车身的质量显著减轻，从而使汽车的功率需求降低，进而采取更小的驱动引擎和悬挂装置，通过减少动能进而减少了汽车的冲击危险。因此，采取碳纤维材料进行汽车零部件的制造，能够显著的减轻汽车的整体质量，实现汽车的轻量化。

2.2 碳纤维具有良好的可塑性

碳纤维材料具有非常好的可塑性，能够加工各种汽车零部件，也能够制作成一体式的整体结构。例如，目前汽车中使用的铁制汽车座位，其在安装过程中需焊接50—60个部件，但是如果使用碳纤维材料设计成整体成型的座位，不仅能够缩短加工时间，同时其精度也能够得到有效保证。例如目前已经得到应用的树脂转移模塑成型技术，该碳纤维材料制造方法具有成本低、效率高、绿色环保等优势，该制造技术能够将传统成型所需的数天时间缩短到几分钟。

2.3碳纤维材料具有良好的耐腐蚀性

汽车上的很多零部件在使用的过程中都要承受机油、汽油以及汽车传动液等化学制剂的腐蚀，并且要经受高温、严寒以及盐雾等等恶劣环境的考验。传统的金属材料零部件在这些恶劣条件下，其使用寿命会受到影响，并且在不同的环境条件下，其质量的一致性很难得到保障。但是碳纤维材料却不存在传统金属材料的生锈和腐蚀问题。碳纤维材料具有非常好的耐腐蚀性，具有良好的耐酸性能、耐海水性能、耐碱性能、耐盐和有机溶剂等性能。因此，应用碳纤维材料制造的汽车零部件，其使用寿命较长，且维修费用较低。

2.4 碳纤维材料能够实现汽车零部件的一体化

模块化和整体化是汽车结构发展的一种必然趋势，传统的金属材料很难实现这一点。但是碳纤维材料本身所具备的优良特性，使汽车结构的模块化和整体化成为了可能，只用应用合理的模具，就可以将不同厚度的汽车零部件、凸起部、筋、楞等全部一体成型。因此，对于传统的钢制薄板不易制造、生产效率低下、难以保证精度的汽车零部件，使用碳纤维材料能够克服以上所有问题。例如，莲花跑车以整车应用碳纤维材料为目的，使其零部件实现了轻量化，从而使整车实现了轻量化，同时增加了其零部件的刚度和强度，使得整车的性能也得到了显著提升。

3 碳纤维在汽车零部件中的应用

目前随着碳纤维材料成本的降低以及汽车轻量化发展的要求，碳纤维材料在汽车零部件中应用的优势已经逐渐被关注和重视起来了。目前碳纤维材料已经开始被应用到汽车的部分零部件的制造中，例如刹车片、传动轴、燃料箱以及环保汽车中使用的压缩天然气气瓶等[3]。

目前，碳纤维材料在汽车座椅加热垫中的应用就是其在汽车零部件应用中的一大突破。目前在世界汽车制造厂商来看，绝大多数的高档、豪华轿车，例如奔驰、宝马、奥迪等高档轿车中几乎都安装了碳纤维材料座椅加热装置[4]。由于碳纤维材料具有非常好的导热性，因此能够保证热量在座椅加热区域进行均匀的释放，同时由于碳纤维在座椅中分布均匀，因此应用碳纤维材料不仅能够保证加热垫的使用寿命，同时还能够保持座椅表面皮革的平整完好。目前，碳纤维材料还由于其环保、耐磨的特性而开始被引入到汽车刹车片的制造中来。在赛车中，碳纤维材料制动盘的应用目前已经比较广泛了，例如F1赛车，就普遍应用了碳纤维材料制动盘。F1赛车能够在50米的距离内将赛车的车速从300km/h降到50mk/h，但此时制动盘的温度会出现急剧升高，达到900℃左右的高温，传统金属制造的制动盘会在这样的高温下，由于迅速吸收热量而发红。但是应用碳纤维材料之后，由于其具有较强的耐高温特性，最高可承受2500℃左右的高温，因此碳纤维材料制动盘其在该过程具有非常优秀的制动稳定性[5]。

4 碳纤维在汽车零部件中广泛应用所遇到的问题

碳纤维材料在我国的研究始于20世纪60年代，至今已经历经接近50年的历史，但是整体来看，其研究进展较为缓慢。同时由于发达国家对我国的技术封锁，导致我国目前仍未实现碳纤维材料的大规模生产，因此目前我国对碳纤维的使用主要依赖进口[6]。因此，笔者认为要想实现碳纤维材料未来在我国汽车零部件中的广泛应用，目前存在以下几个亟待解决的问题：其一是碳纤维材料的成本问题，目前碳纤维材料的成本价格较高，是其在汽车零部件中进行广泛应用的最大阻碍；其二是生产方法的缺乏，目前看来我国尚且缺乏能够进行大批量、高效率碳纤维材料汽车零部件的生产方法；其三是碳纤维材料汽车零部件的回收利用问题，目前国内对于碳纤维增强热固性树脂基复合材料的回收尚且存在问题，亟待解决；其四是目前我国国内尚且缺乏对碳纤维汽车零部件进行制造的相关设计数据、试验方法、分析工具、碰撞模型等等，都有待进一步进行研究和完善[7]。

5 碳纤维材料在汽车零部件中的应用前景展望

目前，随着汽车使用数量的急剧增伤，以及对低碳生活的要求，导致国内外的主要汽车生产厂家都积极致力于开发、生产碳纤维及其复合材料化的节能、环保和安全性的汽车。而新一代的汽车必然具备节能降耗的特征，而实现节能降耗的重要途径就是汽车的轻量化。而目前汽车零部件制造中使用到的一般钢材等金属是无法实现汽车轻量化的，因此，采取碳纤维及其复合材料进行汽车零部件的制造就成为了实现汽车轻量化最有效的方法[8]。因此，目前来看，在未来的汽车零部件制造业中，碳纤维及其复合材料将具有极其广阔的应用。

并且随着目前对碳纤维及其复合材料在汽车零部件中的应用的进一步深入研究，未来的碳纤维汽车零部件必将趋于高性能化，汽车用的碳纤维零部件的成本必然会不断下降，碳纤维汽车零部件的大批量、高效率生产工艺方法必然会得到进一步的完善和发展。因此在未来的持续发展中碳纤维及其复合材料完全可以取代金属应用于汽车的零部件中，并且碳纤维在汽车零部件制造中的应用将继续保持大幅增长趋势。在如此庞大的市场需求之下，碳纤维汽车零部件这一细分市场必将有巨大的增长空间。

参考文献：

[1] 张方超，杨建忠，乔卉，王勇.碳纤维及其复合材料在汽车行业的应用及展望[J].合成纤维，2013（6）：26-29.

[2] 罗益锋.新能源汽车轻量化发展与碳纤维材料的开发趋势[J].新材料产业，2015（2）：13-18.

[3] 王俊峰，马祥林，张兴龙，李超，齐苏杰，刘小利，于浩.碳纤维在汽车轻量化中的应用[J].新材料产业，2015（2）：20-22.

[4] 张定金，陈虹.于今.汽车轻量化对碳纤维的需求[J].中国石油和化工经济分析，2014（10）：30-33.

[5] 张红英，欧阳八生.汽车轻量化之有效途径—高分子材料的应用[J].模具技术，2014（5）：54-58.

[6] 肖文刚，何志华，董青海.碳纤维复合材料传动轴设计与制造技术研究[J].玻璃钢/复合材料增刊，2012：232-235.

[7] 竺铝涛.汽车用碳纤维复合材料的发展历程及应用[J].上海汽车，2013（11）：52-55.

[8] 张新元，何碧霞，李建利 等.高性能碳纤维的性能及其应用[J].棉纺织技术，2011（4）：269-273.

作者简介：李建峰（1982—），男，陕西宝鸡人，研究生学历，毕业于西安交通大学，工程师，研究方向：同步器用摩擦材料、粘接工艺研发等。