碳纤维复合材料在汽车工业中的应用

  碳纤维复合材料用于汽车部件上不仅可以实现汽车轻量化,而且在安全性与乘用舒适性等方面也有很大提高,因此越来越受到汽车工业的重视,与金属材料相比,碳纤维复合材料具有许多优良性能,应用于汽车上有明显的优势,本文对其简单做个分析。

  碳纤维复合材料应用于汽车车身、底盘及承力部件,在保证安全性的同时具有十分明显的诚重效果。在各种材料制造的车身中碳纤维复合材料是最轻的,尤其是与钢制车身相比,轻量化效果达53%以上。

  碳纤维复合材料振动衰减系数大,吸振能力强,用于传动系统和发动机部件,不仅能减轻车的质量,还可以减少振动、降低噪声,从而增加乘坐舒适度。基于碳纤维复合材料在可靠性、耐久性和强度等方面的优点,日本近年开始在制造汽车涡轮增压器压气机叶轮时用其替代铝合金,将叶轮质量降低48%,从而使转子惯量降低,加速性能提高,极大缩短涡轮增压器的响应滞后,对碳纤维进行表面处理,大幅提高了碳纤维复合材料的强度,为在发动机中应用碳纤维复合材料提供了很好的借鉴。

  与金属材料相比,采用碳纤维复合材料制造车身可以省去复杂的金属模具、冲压、焊接及喷涂投资,综合生产成本要降低很多。根据MSL的研究成果,在一定产量之内的汽车(低于2万辆),使用树脂传递模塑成型(RTM) 生产的碳纤维复合材料车身比金属工艺的车身综合成本低,说明了小批量生产时碳纤维复合材料用于车身的经济优势,因此其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。

  材料和结构是碳纤维复合材料同时具有的特性,是材料与结构的复合体,这在宏观、微观、细观等多种尺度水平上增加了设计自由度, 并且其材料成型与结构成型是同时完成的。设计包括计算分析、试验验证等是碳纤维复合材料技术中非常重要的方面之一,国外碳纤维复合材料汽车设计已走向规范化和成熟化,但国内在这方面差距很大12。目前,国内缺乏专有的设计分析软件和材料性能数据库,也缺少设计经验和相关的设计标准。部分汽车承力部件采用碳纤维复合材料需要借鉴国外汽车的设计规范,针对不同工况载荷进行应力分析和碳纤维复合材料铺层设计,才能充分发挥碳纤维复合材料轻质高强的特性。

  汽车生产具有量大面广的特点,对成本和生产效率的要求很高。据知,复合材料制件的总成本中,材料成本只占20%左右,制造成本占70%~ 80%。虽然现有的复合材料工艺原则上均可用到汽车工业,但考虑到成本和效率因素,对于车用碳纤维复合材料应着重发展低成本快速成型方法(如RTM、罐外热压成型、纤维缠绕成型和拉挤成型等)。国内复合材料低成本成型技术发展起步较晚,技术水平较低,产品品种和产业规模均有待提高。对于某些关键成型技术(如RTM及高压RTM罐外热压成型等高效成型工艺),我国与欧美等发达国家和地区相比还有一定差距。