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碳纤维在汽车上的应用

摘要：碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它具有许多优良性能，密度低，强度大，耐超高温，耐疲劳性好，耐腐蚀性好，良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。因为其优良的性能，从而在汽车上得到广泛的使用，推动了汽车工业的变革。

关键词：碳纤维汽车轻量化

一：什么是碳纤维

碳纤维〔carbonfiber，简称CF〕，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。

碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。

现今，碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料参加到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

1994年至2002年左右，随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。车用碳纤维复合材料可用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件。目前钢铁材料约占车体重量的3/4，如果汽车的钢材部件全部由碳纤维复合材料置换，车体重量可减轻300kg，燃油效率提高36%，二氧化碳排放量可削减17%。我国汽车年产量将突破2000万辆，预计今后还会继续上升。研制轻量化汽车是实现我国低碳经济的迫切需求，汽车应用碳纤维是轻量化的新选择。

二．碳纤维在汽车上的应用

1汽车车身和底盘

由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，是制造汽车车身和底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身和底盘减轻质量40%～60%，

相当于钢结构质量的1/3～1/6。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果说明，碳纤维增强聚合物材料车身重172kg，而钢制车身质量为368kg，减重约50%。

2刹车片

碳纤维还因为其环保和耐磨的特点而应用在刹车片上，但含有碳纤维复合材料的产品都价格偏高，所以，目前这种刹车片还主要应用在高档汽车上。碳纤维制动盘被广泛用于竞赛用汽车上，如F1赛车。它能够在50ｍ的距离内将汽车的速度从300km/h降低到50km/h，此时制动盘的温度会升高到900℃以上，制动盘会因为吸收大量的热能而变红。碳纤维制动盘能够承受2500℃的高温，而且具有非常优秀的制动稳定性。

3轮毂

德国的轮毂制造专家推出的轮毂系列，采取2片式设计，外环为碳纤维材质打造，内毂为轻量化的合金，搭配不锈钢制的螺丝，较一般同尺码的轮毂质量低40%左右。以20寸的轮毂为例，该轮毂质量为6kg，而一般轮毂约重18kg。英国Kahm公司使用CFRP制得的RX-X型高级汽车专用车轮，质量仅为6kg，可高速行驶，并可最大限度地降低车轮的径向惯性力。由英国DYMAG公司开发的世界最轻碳纤维/镁车轮由碳纤维轮网和镁刹车盘2部组成，并用镀钛的特殊硬件连接起来。

4.传动轴

汽车传动轴的受力情况比拟复杂，尤其要承受很大的扭矩，充分考虑了碳纤维增强复合材料各向异性、比强度高和比模量相对较低的特点，从而使用碳纤维增强复合材料传动轴能够替代金属产品，满足使用要求。碳纤维传动轴它不仅减轻了60%的重量，而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。

三．碳纤维在汽车上的应用的优点

1.轻量化

碳纤维在汽车上的应用最主要是它所带来的汽车轻量化。目前钢铁材料约占车体重量的3/4，如果汽车的钢材部件全部由碳纤维复合材料置换，车体重量可减轻300kg。

2.平安性

与钢材相比，碳纤维复合材料质量钢的50％，而在碰撞中对能量的吸收能力却比钢高出4～5倍。碳纤维复合材料制造汽车前端框架和保险杠骨架。呈尖塔状的碳纤维溃缩柱由无数根粗壮的碳纤维编织而成，虽然结构依旧无比