汽车轻量化用碳纤维复合材料国内外应用现状

黄纯可　余乐铭　刘杨生　陈帅宇　杨龙湖

摘 要：文章主要是分析了碳纤维及其复合材料的特性，在此基础上讲解了碳纤维复合材料在汽车轻量化上的应用情况，最后探讨了其的未来发展前景，望可以为有关人员提供到一定的参考和帮助。

关键词：碳纤维复合材料 汽车轻量化 应用现状 发展前景

1 引言

当前人们生活质量的提升，使得生态环境的污染程度逐渐变得越来越严重，为能够有效治理和保护环境，轻量化的汽车产品是汽车行业研究生产的重点。在汽车生产的过程中应当有效确保到其的轻量化，才可以保证到汽车的轻量化。

2 碳纤维及其复合材料的特性

碳纤维是一种高强度、高模量的新型纤维材料，碳含量大于95%。它具有无蠕变、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数高、化学性能强等优点。在恶劣环境下的应用中具有较强的竞争优势。广泛应用于航空航天、风力发电、飞机制造等领域。近年来，他们不断拓展体育休闲、汽车制造、工业机械、轨道交通、医疗保健、延伸装备等领域。碳纤维增强复合材料是指碳纤维作为增强剂，树脂，金属，陶瓷等作为基材。碳纤维复合材料通常基于树脂的碳纤维增强复合材料，碳纤维增强复合材料的密度远低于传统汽车的密度。金属结构比钢结构高出50%，其重量比镁/铝合金结构轻，直接影响车辆的节能，加速和制动性能。同时，碳纤维布的刚度和吸力不能低估，其碰撞可以达到钢的6-7倍和3-4次铝，这进一步确保了车辆的安全性;更高的减振可以提高噪音，振动和车辆声音粗糙度的性能，并改善舒适性。

3 CFRP在汽车轻量化中的应用

按照美国能源部和其他部门和机构的数据发现车辆总重量将减少10%，燃料消耗将减少6%-8%，排放将减少5%-6%。可以看出，汽车轻量级是减少燃料消耗并保护环境的有效方法。碳纤维布的密度约为1.6g/cm3，这不到钢的1/4。同时，它具有优异的机械性能，环境耐候性，尺寸稳定性，可设计性，高吸力效率和减震，并开发具有开发前景的轻质材料。

3.1 车身构件

汽车车身部件是汽车最常见的部件，如引擎盖，框架，屋顶框架，加强件，扰流板等。有碳纤维布，碳纤维布的强度高于刚度。在普通钢的情况下，在相同的结构强度的条件下，由碳纤维增强复合材料制成的结构部件将钢结构部件减少至约50%，它有效提高了汽车动力学的动态性能，尤其是赛车中体现的那些组件的动态性能。1992年，CFRP已用于超轻概念车辆的车身和底盘结构。车身的总重量约为191kg，重量为68%，节省40%。

3.2 轮毂

车轮是汽车中十分重要的部件之一。它既能承受到了整车的重量和载荷，又能克服驱动力和扭矩。因此，轮毂不仅要有较高的冲击力，还要有良好的耐久性、耐热性和安全性。碳纤维复合材料轮毂不仅能满足整车轮毂的要求，而且在整车的轻量化方面也有很好的表现，rx-x高端轿车的碳纤维布轮毂重量仅为6kg，高速运转，可以在最大程度上降低了车轮的径向惯性功率;2013年瑞典Konnisec公司的Agera跑車配备了世界上第一个空心的碳纤维轮毂，可以减轻大约20公斤的重量，同时仍然可以确保良好的安全性和抗冲击性。

3.3 传动轴

碳纤维增强复合材料有着各向异性，高比强度和特定模量的特点，可充分用于传动轴产品。与普通钢相比，重量可以减少一半以上。在相同的重量和直径的条件下，扭矩可以达到超过钢的170%。此外，碳纤维传动轴可以有效地减小传动轴的重量，它将具有更好的疲劳性和耐用性。由丰田开发的碳纤维驱动轴不仅将重量减少一半，而且还具有更快的传输效率。GNK开发出碳纤维传动轴，广泛应用于奥迪A4和其他型号。

4 碳纤维复合材料的应用

在中国汽车工业的生产过程中，为可以更好地发展和实现碳纤维复合材料，在实际应用过程中仍存在许多问题，这影响了在此阶段汽车复合材料的开发。其应用效果和最终实现，第一，中国汽车制造业的类型和数量也在越来越多，碳纤维复合生产能力非常出色。碳纤维复合材料的主要原材料是碳纤维和树脂，我国的碳纤维复合材料需要大量进口，这与高速汽车生产的数量还是一致的，因此高进口的碳纤维复合材料，进口的碳纤维数量，它是一种轻量化的汽车生产方式，在实施过程中存在着很大的问题，厂家再将碳纤维复合材料应用于汽车上，也存在一定的问题。在国内生产碳纤维复合材料的企业中，由于使用的原丝质量比较差，工艺积累较少，生产出的碳纤维复合材料不能满足汽车的质量，当然近年来国内碳纤维的质量有了很大的提高，甚至满足了国内碳纤维的应用，实现了非进口碳纤维，但与出口国产碳纤维还有一定距离，因此影响了碳纤维复合材料与汽车轻量化的数量，也会在一定程度上影响了汽车工业的发展方向。然后，在使用过程中，很多汽车生产厂家不能明确地具体运用技能和使用工艺，导致汽车的工艺轻量化，虽然在最初的设计阶段投入了更多的财力，但轻量化的应用效果和质量无法保证，这就导致了汽车生产效果不佳，也会直接影响到了整个汽车制造企业的经济效益。最后，由于碳纤维复合材料是一种新型汽车生产材料，为可以保持原有生产工艺和生产线的生产需要，以满足各种型号的生产需要，如铝、镁等合金材料，因此也会在一定程度上影响到了碳纤维复合材料在轻量化领域的应用。与此同时，它还阻碍了碳纤维复合材料在汽车轻质中的应用。与传统材料相比，碳纤维复合材料的成本很高，国内碳纤维复合材料制造供应商较少经验，缺乏大规模生产经验，零件质量的一致性低。在比较传统材料和碳纤维复合材料的经济效益后，更多的人将为轻量级应用选择传统材料。

5 应用进展

5.1 国外

在20世纪50年代，碳纤维布被广泛用作F1的材料。在科技和全球汽车工业的繁荣开发和全球汽车工业的蓬勃发展，碳纤维布在汽车零件领域具有大的应用潜力。在改装汽车和高性能跑车的过程中，碳纤维布的应用率越来越多。碳纤维布制成的85%的F1竞争，可以改善碳纤维增强塑料的生产过程。在20世纪80年代，高性能豪华车由碳纤维增强塑料制成。1992年，通用电机推出了一辆超轻概念车，使用碳纤维来加强塑料而不是钢制机身和底盘组件。宝马正引领碳纤维增强塑料进入大众汽车，并成为大众汽车领域的重要贡献者。2014年，宝马在2014年生产的I3、I8纯电动汽车上大量使用碳纤维增强塑料材料，由于模块化生产，汽车零部件数量超过传统金属零部件，汽车零部件数量减少了2/3，2015年7月，第六代宝马7系正式投产，采用碳纤维布生产车身材料，并与高强度钢和铝完美结合。

5.2 国内

与外国发达国家相比，中国在汽车部门的研究处在落后阶段，这是相对落后的。它仍处于生产阶段。然而，近年来，碳纤维生产技术的持续改善和生产规模的连续扩张已经为国内汽车碳纤维布，奇瑞汽车技术研究机构的开发奠定了坚实的基础。将混合动力电动汽车Iruze7升級，这是由碳纤维复合材料制成的第一载体，其重量为218kg，金属重量为48%。

6 发展前景

为可以使碳纤维复合材料在汽车轻量化实施中得到更广泛的应用，汽车生产企业的相关管理人员和技术人员应按照存在的问题和现状，在这一应用阶段采取相应的措施：一是为可以保证碳纤维复合材料的使用，汽车的重量比较好，为可以提高汽车制造企业的经济效益，相应的技术人员必须制定合理的使用工艺和使用规范，保证碳纤维复合材料的使用，不会造成碳纤维复合材料的报废，同时也有效的提高到了碳纤维复合材料的使用性能。为可以提高汽车的性能并改善汽车制造商的整体形象，有必要在碳纤维复合材料采购期间进行严格的检查，这可以满足生产过程中汽车的标准和规格。原材料的性能检查应从汽车制造商的管理和技术改进。除了保证更有效的碳纤维复合材料的使用外，相关的政府部门还应制定支持，鼓励汽车制造商使用国内大碳纤维。这样，我们只能确保中国更多的汽车制造商可以关注发展。制定合理的扶持政策既要体现在资金支持上，也要体现在碳纤维复合材料国内原材料的应用和推广上，确保汽车能够更顺利地使用碳纤维复合材料，提高整个汽车生产企业的生产效率，积极采用碳纤维复合材料作为汽车制造过程的原材料，最后为可以保证汽车制造过程中使用的碳纤维复合材料的质量，有必要明确碳纤维复合材料的实际生产工艺，且应当大力推进绿色能源的生产。专注于碳纤维复合材料的生产企业，使碳纤维复合材料的生产符合轻质应用的要求，考虑碳纤维的再循环，并创造一个完整的生态回收链。

7 结语

由上可知，实现轻量化是当前汽车生产企业的重要发展战略，其主要是通过实现汽车轻量化有效的降低到对环境的污染，为此企业应当不断研究和采用到了新型的复合材料，才可以确保到汽车生产企业能够实现汽车轻量化。

参考文献：

[1]王茂章.碳纤维及其复合材料[J]. 新型碳材料，1989（04）：5-11.

[2]贺福，王茂章.碳纤维及其复合材料[M]. 科学出版社，1995.

[3]邢丽红，周长友.地理信息系统在国内外应用现状[J].大科技·科技天地，2011，000（006）：155-156.

[4]王文明，潘复生，曾苏民.碳化硅颗粒增强铝基复合材料开发与应用的研究现状[J].兵器材料科学与工程，2004，27（3）：61-67.

[5]赵稼祥.碳纤维复合材料在民用航空上的应用[J].高科技纤维与应用，2003，28（3）：1-4.

[6]唐见茂.碳纤维树脂基复合材料发展现状及前景展望[J].航天器环境工程，2010，27（003）：269-280.