碳纤维复合材料在汽车、体育用品领域的应用

罗　栋

(陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000)



碳纤维复合材料在汽车、体育用品领域的应用

罗栋

(陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000)

摘要：碳纤维复合材料不仅在航天航空及其他工业领域得到广泛应用，而且也是汽车、体育用品开发最好的材料之一。该文介绍了碳纤维主要产品种类、用途及应用形态、几种碳纤维复合材料性能比较以及碳纤维复合材料在汽车工业、体育休闲用品领域的应用。随着科技发展，在我国占碳纤维总消费量的80%～90%是汽车体育用品。

关键词：碳纤维，复合材料，汽车工业，体育用品，应用

1国外碳纤维产业发展概况

目前世界各国，PAN基碳纤维是当今世界碳纤维发展的主流，占世界碳纤维市场的90%以上。

国际上PAN基碳纤维的生产，从20世纪60年代起步，经过70～80年代的稳定，90年代的飞速发展，到21世纪初其生产工艺技术已经成熟。起初，碳纤维主要用于军工和宇航，经过40余年的发展，其应用领域正在向工业领域和普通民用领域扩大。现已发展成为大丝束碳纤维和小丝束碳纤维两大种类。中国用聚丙烯腈为原料生产碳纤维的研究始于1962年，起步可谓不晚，但长期未取得实质性进展。促使大丝束碳纤维迅猛发展的原因可能如下：

(1) 市场的需求。九十年代前，航天航空需要高性能小丝束碳纤维，即使价格高也可用轻量化效果来解决。但九十年代以后对于航天航空工业来说，高价碳纤维限制它的应用，需开发价格较低的大K束碳纤维。同时，12K以上碳纤维的性能也可满足航天航空工业的需求，性能与价格比占有一定优势。

(2)可大量生产，碳纤维原料成本较低。PAN原丝K数愈大，价格愈低。以国产小丝束PAN原丝为例，1K、3K、6K原丝比12K原丝的价格分别高316%、100%和38%左右。对于PAN基碳纤维生产线来说，原丝占成本价格的56%～65%左右，原丝价格低，必然使碳纤维价格随之而下降。

(3)大K数碳纤维制造加工成本较低。对于同一条碳纤维生产设备来说K数大的原丝，产量愈高，越有利于碳纤维价格的下降[1]。

2碳纤维的物理性能

由于碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，特别是在2000℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质，是其它主要结构材料(金属及其合金)所无法比拟的。此外，碳纤维还兼有其它多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热导性高、热膨胀系数低、X光穿透性高、非磁体但有电磁屏蔽性等。

3碳纤维编织材料

碳纤维主要有四种产品形式：纤维、布料、预浸料坯和短切纤维。布料是指由碳纤维制成的织品；预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状；短切纤维指的是短丝。碳纤维产品形式及加工制品见表1。

表1　碳纤维和深加工制品及其应用概况

4碳纤维增强复合材料性能比较

碳纤维增强复合材料主要包括碳纤维增强陶瓷基复合材料、C/C复合材料、碳纤维增强金属基复合材料、碳纤维增强树脂基复合材料等，它们的主要用途见表2。

表2　碳纤维的主要用途及应用形态、种类

(1)碳纤维增强陶瓷基复合材料

用碳纤维增强陶瓷可有效改善韧性，改变陶瓷脆性断裂形态，同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比较成熟的碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料，在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域广泛应用。

(2)C/C复合材料

它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成，主要由各类碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种材料除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外，还具有较高的断裂韧性和假塑性。在高温环境中，强度高、不熔不燃，广泛应用于导弹弹头，固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等领域。

碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热等特性，属典型的高新技术产品。主要用于制备先进复合材料(ACM)，已广泛应用于宇航、体育用品领域、工业领域、交通运输领域及土木建筑领域[2]。

5碳纤维在汽车、体育用品领域的应用

5.1汽车工业

2014年9月，中科院宁波材料所研制的碳纤维复合材料小汽车，用力敲击车盖后会迅猛反弹，表面丝毫未损。在普通材质的汽车引擎盖上，榔头用力敲击，漆盖上很有可能会有凹陷，彻底颠覆了纤维一词在人们脑海中的柔弱印象。这种碳纤维复合材料做的车，比起普通用钢材制造的汽车，它的最大特点是轻和快。这辆车抛弃了传统的钢结构，大量采用弹纤维材料制成，比普通钢材的汽车重量能减少60%。在同样用油情况下，这辆车每小时可以多开50公里。虽然碳纤维看起来像塑料，但实际上这种材料抗冲击性比钢铁强，特别是用碳纤维做成的方向盘，机械强度和抗冲性相比大大提高。在复合材料的“武装”下，这辆小车反倒成了家用车中的“装甲车”。

另外，汽车零部件轻量化、小型化已成为未来汽车工业发展的重要课题。汽车轻量化使得汽车油耗降低，大大降低了汽车的使用成本，也使总的能耗大大降低了。据资料介绍，汽车自重减轻100公斤，行驶100公里，可节省油0.3公斤。自重减轻10%，燃油经济性可提高10%。目前在汽车工业中应用复合材料的有：驱动轴、车身、车门、横梁、油箱、悬臂梁、钢板弹簧、减速器、变速器支架、座位架、行李箱板和方向盘等。通用汽车公司的超轻概念车车身采用碳纤维复合材料由手铺碳纤维预浸料工艺制造，整体车身质量仅为191公斤，车身刚度优于钢制车身，密度仅为钢制车身的1/4。碳纤维增强复合材料的车身质量仅为172公斤，而钢制车身为367.9公斤，轻量化效果达53%以上。设计表明，一辆典型小车的碳纤维用量可以超过113kg。仅仅为了满足北美的需求，碳纤维的需求量就达现有世界碳纤维总生产能力的100倍。制约碳纤维在汽车工业的应用的关键在于碳纤维价格过高。

5.2体育休闲用品

文体用品领域对碳纤维的需求，年均增长率为48%，用于体育休闲用品的碳纤维都超过5000t，占世界碳纤维总消耗量的25%左右。体育用品使用碳纤维绝对数量仍在增加，根据美国体育用品制造商协会的最新统计数据，美国市场体育用品设备销售在2010 年总额约500亿美元，这还不包括鞋子、机动车辆和举重器材。大量使用碳纤维复合材料的产品是高尔夫球槽、球拍、雪橇、滑雪板、曲棍球棒、钓鱼竿和自行车。体育用品使用碳纤维的绝对数仍在增加，在未来几年内，每年的增长预计平均为4.3%，预计将来使用量有可能超过唱片业的水平。据估计，全球每年的高尔夫球棒的产量为3400万付，主要产自美国、中国、日本和中国台湾省；全球碳纤维钓鱼竿的产量每年约2000万付；网球拍框架的市场容量约为每年600万付。碳纤维在其他体育项目的应用还包括冰球棍、划船、赛艇、冲浪器械等[3]。

自行车是人们日常生活的必须用品。目前，全球的自行车中，高级自行车和特别用途登山车约占5%，加工自行车，生产周期短，制造成本低。据有关统计和预测，到2017年全球在自行车领域对碳纤维的需求量推测为3886t[4]。

近几年，随着科技发展，我国对碳纤维的需求不断增长，碳纤维消费结构中体育用品居首位，其中体育器材用量最大，约占总消费量的80%～90%。其次是一般工业少量军工产品(导弹和火箭等)，航空航天排第三。

参考文献

[1] 张文光，等.产业用纺织品与复合材料[J].产业用纺织品，2008(06)：42-44.

[2] 杜希岩，等.纤维增强复合材料在体育器材上的应用[J].纤维复合材料，2007(01)：34-36.

[3] 陈伟.碳纤维复合材料在体育器材上的应用[J].产业用纺织品，2011(08)：10-12.

[4] 陶浩，等.碳纤维自行车车架的研制与开发[J].玻璃钢/复合材料，2007(04)：26-28.

Application of Carbon Fiber Composite Material in the Field of Automotive and Sports Goods

LUO dong

(Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，Shaanxi，China)

Abstract：Carbon fiber composite material is not only widely used in aerospace，automotive and other industrial fields，but also one of the best material for the development of automotive sports products. The main products of carbon fiber，application of carbon fiber，and the properties comparasion of carbon fiber composite materials were introduced. Application of carbon fiber composite material in the field of automobile industry and sports leisure products were also introduced. With the development of science and technology，China’s carbon fiber consumption structure of sports is in the first place，about the total consumption of 80%～90%.

Key words：carbon fiber，composite material，automobile industry，sports leisure products，application

中图分类号：TQ 050