碳纤维在汽车领域应用的优势与问题

  碳纤维增强复合材料是汽车覆盖件最理想的非金属材料,在减轻车身质量的同时,也能保持防撞性能。对于汽车生产商来说,碳纤维复合材料也表现出许多优点,零部件的整合、模块性、安装成本低、投资小,避免了传统车身的喷涂过程和相应的环保处理及资金成本。

  碳纤维复合材料不仅比钢轻50%左右,而且有良好的能量吸收性能,碳纤维复合材料在碰撞中的能量吸收能力是钢或铝的4~5倍,用于车身及其结构件具有良好的碰撞安全性,高性能跑车几乎完全由碳纤维复合材料制成,其优点在当今F1赛车中已经得到了验证。梅赛德斯在新款SLR的前部结构中安装了两根碳纤维制成的纵梁,每根长620mm。在发生界定的正面碰撞时,这两根纵梁能够彻底吸收碰撞能量,从而保证乘客厢的结构基本不受影响。乘客厢也完全由碳纤维复合材料制成,在发生侧面或尾部碰撞时能够为乘客提供非常可靠的安全空间。

  英国材料系统实验室(MSL)的研究表明,汽车在2万辆以下生产纲领的情况下,碳纤维增强复合材料RTM工艺生产车身的综合成本低于金属车身,表明小批量时,复合材料车身生产技术不仅具有轻量化的技术优势,而且还有综合生产成本较低的经济优势。

  从实现轻量化的效果看,在车身部件中使用碳纤维增强材料,至少可以减轻质量20%~30%或更多。根据国外研究测算,汽车每减轻质量10%,可以降低燃油消耗6%,有利于节能并减少排放。另外在成本方面,国外研究测算结果表明,在2万辆/年以下的批量下,由于可以省去昂贵的金属冲压、焊装生产设备及其模具投资,采用复合材料车身的综合成本比金属车身低近800美元,按年产2万辆计算,每年可节约1600万美元。因此,碳纤维增强材料在未来环保车型的开发中,具有较强的竞争力和良好的社会效益。

  目前,制约我国碳纤维及其复合材料业发展的几大问题在于碳纤维原丝质量差、生产规模小、价格高、应用基础研究薄弱等。国产原丝不仅强度低,而且CV(强度离散系数)值大,很难生产出质量稳定的优质碳纤维。因此,要促进碳纤维复合材料在汽车上的广泛应用,必须解决以下问题:

  降低碳纤维成本。目前,碳纤维价格为14-30美元/kg,随着生产工艺技术的重大突破,预计可以降到10美元/kg左右,这将为碳纤维增强复合材料在汽车上的应用开辟广阔前景,碳纤维复合材料将大规模取代现用的工程材料。

  加强碳纤维及其复合材料的应用技术研究。主要包括碳纤维及其复合材料结构设计技术的研究、碳纤维及其复合材料成型工艺、性能表征和质量控制与保证、碳纤维及其复合材料相应标准的建立与完善、碳纤维复合材料的修补技术等。

  加大碳纤维复合材料应用范围。要大规模扩大碳纤维及其复合材料的市场,过去开发其在航空、航天和高技术范围的应用是依靠国家的投入,而大丝束碳纤维在新的民用工业尤其是汽车工业的开发,不能只靠国家的投入,更需要汽车工业和材料工业自身的投人与努力才能实现。

 

  阅读延伸:《碳纤维在汽车部件的应用案例分析