碳纤维复合材料在汽车工业中的应用分析

  轻量和节能是当今世界汽车工业发展的主题,面对资源和环境问题日益严重的挑战,加快推进汽车轻量化以提高燃油效率已成为汽车工业的重要研究课题。试验证明,汽车上40%的燃料消耗源于汽车在行驶过程中自身的惯性,若汽车整车质量降低10%,燃油效率可提高6%~ 8%;汽车整体质量每减少100 kg,百公里油耗可降低0.3~0.6L。当前,汽车轻量化的途径主要有材质轻量化和结构轻量化设计,采用纤维增强复合材料制成的零部件由于质轻、比强度高、模量大,因此倍受汽车工业发展的青睐。

  碳纤维复合材料具有密度小、比强度高、比模量大等优良特性,已经广泛应用于航空航天、汽车制造、体育运动等领域。一般纤维增强树脂基复合材料相对密度不会超过2.0,约为钢相对密度的25%,而比强度比钢材提高4倍。目前的一些常用的复合材料成形方法,如手糊成形、模压成形、热压罐成形等,操作复杂、生产效率低、设备造价昂贵,不能满足大规模生产的工业化需求。

  复合材料作为汽车结构件可替代铁和铝,不仅可以减小质量,节省能源,而且具有耐腐蚀的优势,因此早在20世纪90年代就在F1赛车上得到应用,碳纤维复合材料的齿轮箱比传统轻了25%,且更加耐腐蚀。但由于碳纤维造价昂贵,限制了在一些民用行业的广泛应用。

  近些年,随着碳纤维材料制造工艺的成熟及其成本的下降,以及国家对制造业节能减排和结构轻量化的要求,传统的制造业特别是汽车制造业对碳纤维复合材料的兴趣越来越大,目前,发达国家已经在一些新能源汽车和概念车中采用了碳纤维复合材料。因此,为了进一步实现汽车轻量化,推进复合材料的应用,亟须提出一种能够高效、低成本、符合大批量生产的复合材料成形新方法。