碳纤维复合材料在汽车改装领域的应用探讨

(1.湖北工业职业技术学院，湖北 十堰 442000；2.东风越野车有限公司，湖北 十堰 442000)

0 引言

我国最早的汽车改装技术是20世纪70年代从香港引进的，引进的汽车改装技术主要集中在广东、北京和四川等地区，后来逐渐在长三角地区蔓延发展。伴随中国政策的放开化发展，汽车改装可行性水平得到提升。碳纤维复合材料以其轻量化、科技感的应用优势，成为汽车改装领域的一个重要发展分支[1]。为了能够更好地促进汽车改装领域的发展，现就碳纤维复合材料在汽车改装领域的应用情况进行探究。

1 碳纤维的产生和基本构成

碳纤维是在20世纪60年代开始快速发展起来的一种高科技、纤维状碳材料。碳纤维这类材料以聚丙烯晴、沥青、粘胶纤维作为基本原材料，经过预氧化和碳化加工之后制作形成碳含量在90%比例以上的高性能纤维。碳纤维具备高强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温、振动衰减性高、导热和导热性能良好的特点。碳纤维材料在2 000 ℃以上的高温环境中也会保持自身原有的强度不变。

从实际应用情况来看，碳纤维不仅具备碳材料的性能，而且还具备纺织纤维的可加工性，是新一代的强化纤维材料。碳纤维以树脂、陶瓷、碳元素、金属作为基础材料，经过一系列的复合加工之后形成性能良好的碳纤维复合材料。碳纤维复合材料不仅可以作为一种力承载结构材料，而且也可以作为一种功能性材料被人们应用到高科技领域[2]。

2 碳纤维复合材料的应用特点

2.1 质轻高强

汽车上经常使用的碳纤维增强树脂复合材料密度为1.5～2 g·cm-3，密度仅仅为普通碳钢的20%～25%，甚至比铝合金还要轻33.3%左右。从实际应用情况来看，碳纤维复合材料的机械性能要优于金属材料，其抗拉强度是钢材的3～4倍，刚度是钢材料的2～3倍。按照强度比例的计算，碳纤维复合材料超过了碳钢和一些合金钢，因而在使用的时候显示出较高的强度比。在使用碳纤维材料之后不仅会降低车身的质量，而且还会降低车的功率。为此，在汽车改装设计的时候人们常会选择碳纤维材料作为做为传统金属零件的替代品，由此能够减少动能和冲击危险。

2.2 可设计性良好

碳纤维复合材料的可设计性良好，在使用的时候可以按照不同用途来灵活地进行产品设计。结合产品结构和受力情况通过调节纤维结构或者排列制作不同厚度的制品，可以提升零部件的整体刚性。

将碳纤维材料按照受力的方向进行排列布置能够在最大限度上发挥出碳纤维复合材料的强度优势，将其应用到汽车改装中能够达到节约材料和降低重量的目的[3]。

2.3 零部件的一体化

从节能的角度考虑，汽车应被设计成空气阻力最小的外形，钢材料制作的薄板在压力成形的时候会受到可加工性能的限制，而碳纤维复合材料更易实现根据需要来制作成各个形状的曲面，从而达到一体化的成型效果，充分满足汽车的空气动力学设计要求和美观设计要求。

模块化、整体化和一体化也是汽车结构设计的一个发展趋势，碳纤维复合材料通过科学的模具设计能够将不同厚度的零部件材料加工成一体化的模型。由此可见，复合材料适合应用在替代钢制薄板的零件中，且在加工制作的时候能够提升整车的基本性能。

2.4 抗冲击性

碳纤维复合材料的抗冲击性良好，以聚合物为载体的碳纤维材料具备良好的弹性性能，在使用的时候能够吸收外界对车辆的冲击。同时，碳纤维材料的各个基体之间会形成相对运动，振动衰减系数也会被增大，在行驶车辆出现较大冲击的时候可以及时吸收这些能量，最终达到保障人身安全的目的。

3 碳纤维复合材料在汽车改装领域的应用

3.1 碳纤维轮毂

碳纤维复合材料在汽车轮毂制作中的应用，能够提高轮毂的质量，从而有助于转动惯量。从实际应用上来看，簧下质量每减少1 kg，轮毂轻量化效果约等于簧上质量减少6 kg，所以碳纤维轮毂会显著改善车辆的操控性能。碳纤维材料以其稳固性能和坚韧的材质还能够更好地完成转向反应、传递路感等轮毂性能要求，进而提高车辆的行驶速度。

3.2 制动系统

碳纤维复合材料在制动系统和传动系统中同样有着广泛的应用[4]。碳纤维制动盘具备良好的耐高温性，在实际应用的过程中可以承受超过2500 ℃的温度，且在使用的过程中能够保证车辆制动盘的安全性和稳定性。

保时捷918 spider应用碳纤维复合材料制作制动盘能实现在50 m以内，使车速从300 km·h-1降低到50 km·h-1。从实际使用情况来看，碳纤维材料制作的传动轴不仅会降低车辆的质量，而且还会增强车辆的耐久性。

3.3 汽车进气系统、发动机领域

碳纤维复合材料作为汽车进气系统材料，一方面可减轻其质量，使整个汽车系统的设计更加简洁、轻便；另一方面还能够将其加工成不同的形状，满足汽车在不同情况下的行驶需要，并有效提高汽车进气效率。另外，从实际应用情况来看，碳纤维良好的耐高温性能能够帮助汽车承受更高的工作温度。

3.4 汽车内饰、门窗等领域

碳纤维复合材料的缓冲和减震效果良好，对外界的撞击会产生良好的缓冲作用，在汽车发生撞击的时候能够减少因为撞击产生的碎片，从而提升汽车的安全性能[5]。碳纤维内装饰材料在汽车加工中的应用还能够简化汽车的生产制造加工流程，降低汽车加工制造的成本。

3.5 碳纤维材料在传动轴中的应用

碳纤维材料的各向异性、比强度高、比模量较低的特点能够在传动轴上充分发挥出来。和普通的钢材相比，在将碳纤维材料应用到车身上，可以在同等重量和直径的情况下，使得车辆的抗扭矩力达到钢材的170%以上。不仅如此，将碳纤维材料应用到改装车的转动轴上还能够有效降低转动轴的重量，增强车辆的耐久性和抗疲劳性[6]。

4 结语

综上所述，在社会的发展进步下，高性能纤维材料和复合材料取得了突破性的发展，加上人们对汽车加工生产要求的提高，碳纤维零件已成为汽车轻量化发展的一个重要方向。在这样的发展背景下，越来越多的车用金属零件将会被碳纤维复合材料零件替代，越来越多的碳纤维材料也会被人们应用到汽车改装领域。但是与国外的碳纤维产业相比，我国现阶段生产的碳纤维质量不高、离散系数比较大、生产成本高，碳纤维材料的小批量生产、高附加值生产带来的高成本将会是阻碍碳纤维零部件市场化的一个重要因素。在发展碳纤维材料的过程中需要相关人员进一步优化碳纤维材料的制造模式，提高碳纤维材料的制造效率，从而更好的发挥出碳纤维材料在改装车生产加工中的优化作用。

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