碳纤维复合材料在汽车应用中性能优势分析

  从目前国内外轻量化材料的现状和发展趋势来看,尽管高强钢仍是现阶段应用最普遄、最成熟的汽车轻量化材料,暂时不会被取代,铝合金、镁合金、工程塑料及碳纤维复合材料等的应用也呈现逐渐增长的趋势,但碳纤维复合材料在轻质高强高模、抗冲击性、减震隔音性能、耐蚀性等方面所具有的显著优势是其他材料不可比拟的。

  1.轻质高强高模量

  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1.5-2 g/cm3,约为高强钢的1/4、铝合金的2/3,与碳纤维复合材料、镁合金相当。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%,准各向同性碳纤维复合材料和单向织物碳纤维复合材料的减重百分比则可达到52%和76%。可见,碳纤维复合材料的减重效果显著,如果结合优化结构设计方案,则可获得更好的轻量化效果。

  碳纤维复合材料的拉仲强度和拉伸模最受到纤维种类、用量、形态、铺层方式以及树脂等多方面因素的影响,表现不一而足。整体上讲,拉伸强度、拉伸模量.特别是比强度和比模量都比金属材料显著提高,是碳纤维复合材料的核心性能优势。

  2.耐冲击性好且断裂韧性高

  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。当承受正面撞击时,碳纤维复合材料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。同时,这种破坏形式类似于钢化玻璃,能够有效避免大尺寸碳纤维复合材料部件可能对人体造成的致命性伤害,进一步提高了乘坐安全性。另外,碳纤维复合材料部件在柱式撞击和侧面撞击中,即使局部承受较重的点式力量也不会凹陷,同样表现出了较高的碰撞安全性和结构可靠性。

  3.减振降噪性能

  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。材料的自振频率与其比模量的平方根成正比,碳纤维复合材料具有较高的比模量,因此材料本身的自振频率也相对较高;而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。宝马i3车身各部位的模态数均在40-90 Hz,避开了动力总成的频率段20-28Hz,有效减少了部件的振动,降低了车身结构噪声。

同时,碳纤维复合材料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,前者需要9s停止振动,而后者只需2.5s。优异的阻尼特性使各种噪声被更好的隔绝在外,实现了对噪声的有效屏蔽。

  4.耐腐蚀性能

  传统的轻量化合金材料的耐腐蚀性各有长短,都不是全能型材料。而碳纤维复合材料具有优异的耐海水、耐盐雾、耐机械摩擦等耐候性能,及耐酸碱、耐有机溶剂、耐工业废气等耐化学介质性性能,能够胜任酸雨、雾霾、盐雾等恶劣气候及大气污染条件下的服役环境。碳纤维复合材料 较传统的轻量化金属材料具有更为优异的耐腐蚀性能,这也是选择碳纤维复合材料制造车身覆盖件的重要考虑。

  除此之外,也要考虑碳纤维复合材料中的高聚物可以在紫外线的作用下,吸收光量子,而引发氧对材料表面基体树脂的破坏作用,即发生光氧老化;在可见光和红外线的作用下,高聚物也可以吸收能量而放热,促进氧化反应的进行,即发生热养老化。因此,有必要通过改善树脂基体耐候性、表面涂漆、粘贴保护膜等方式对碳纤维复合材料进行保护。