碳纤维复合材料在汽车制作领域的优势

  碳纤维复合材料由碳纤维增强相与树脂基体组成,具有轻质、高强、高模的特点。其密度为1.5~2g/cm3,约为高强钢的1/4、铝合金的2/3,与GFRP、镁合金相当。根据奥迪公司的统计在不改变部件外形、结构和功能的前提下,采用不同的轻量化材料,铝合金、镁合金部件分别比高强钢部件减重40%和49%,准各向同性CFRP和单向织物CFRP的减重百分比则可达到52%和76%。可见,CFRP的减重效果显著,如果结合优化结构设计方案,则可获得更好的轻量化效果。

  虽然碳纤维复合材料在汽车领域的应用表现出色,但从成本来说,传统汽车行业采用铝合金、钢板制造零部件时,冲压生产线每分钟可冲压零部件约10—14个,而碳纤维复合材料的成型工艺还远达不到这样的效率,目前还满足不了车用碳纤维对高效率、规模化、低成本的迫切需求,这也是目前急需解决的问题之一,但不可否认,碳纤维在汽车领域的发展前景,远比想象中的要大。

  1.耐冲击性好韧性高

  碳纤维复合材料的高强度、高刚度特点也决定了在造成相同程度的变形甚至断裂破坏时,碳纤维部件能够比其他材料部件从外界吸收更多的能量。碳纤维复合材料碰撞过程中的能量吸收率是钢和铝合金的4~5倍,即碳纤维复合材料具有更高的断裂韧性。

  奔驰公司曾在 SLR McLaren跑车最前端的吸能区采用CFRP尖塔式溃缩柱,其由无数根碳纤维束编织而成,不仅具有极高的强度,而且当承受正面撞击时,CFRP溃缩柱能够通过破碎成无数细小碎片的方式吸收大量撞击能量,提高了车辆的安全性。

  2.减振降噪

  汽车行驶过程中噪声来源最主要有4种,分别是车身结构噪声、轮胎噪声(胎噪)、发动机噪声(机噪)和气动噪声。因此,为提升乘坐舒适性,从汽车部件的角度来讲,一方面要减少部件自身及部件间的振动,另一方面要实现对外部噪声的有效隔离。车身各部位的振动模态与部件结构、材料性能和连接摩擦等都有密切关系。

  同时,CFRP中树脂高分子链的粘弹性与纤维-树脂界面间的相互作用也表现出了明显的阻尼效应,使材料更有效地吸收振动能量,振动迅速衰减。对比相同尺寸、相同形状的铝合金梁和碳纤维复合材料梁的振动测试结果,前者使用需要9s停止振动,而使用了碳纤维部件的车辆只需2.5s。