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說(shuō)到碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)上的應(yīng)用，大家一定不會(huì)陌生。碳纖維復(fù)合材料在最近幾年發(fā)展迅猛。小到手機(jī)殼，簽字筆，大到汽車(chē)，飛機(jī)，碳纖維材料越來(lái)越多的出現(xiàn)。


 
隨著超跑制造商對(duì)速度越來(lái)越極致的追求，“輕量化設(shè)計(jì)”成為了近期的關(guān)鍵詞，想想也是，那些V10，V12引擎的性能又不能被無(wú)限壓榨，與其讓旗下的每臺(tái)跑車(chē)都成為布加迪威龍SS或邁凱輪奔馳SLR這種馬力、扭矩怪獸，倒不如另辟蹊徑，把車(chē)做的更輕一些，使車(chē)輛擁有大的馬力/質(zhì)量比，順著這個(gè)思路，一些輕量化材料越來(lái)越多的被應(yīng)用到車(chē)輛每一個(gè)部分，今天要介紹的就是這些輕量化材料中的主力軍：碳纖維。
 
汽車(chē)碳纖維：又稱(chēng)汽車(chē)碳化纖維，泛指一些以碳纖維編織或多層復(fù)合而成的材料。因?yàn)樗州p又堅(jiān)硬，所以它的用途很廣泛。
 
什么是碳纖維?
一般碳纖維的密度為1750 kg/立方米，如此低的密度讓其更是廣泛被使用于大型飛機(jī)，例如空中客機(jī)的A350與A380，波音787均利用碳纖維復(fù)合材料來(lái)減輕耗油量。另外大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片，賽車(chē)、高端自行車(chē)的車(chē)身均為碳纖維復(fù)合材料需求量增加的重要因素。


 
碳纖維的結(jié)構(gòu)
直徑6微米的碳纖維與后面人類(lèi)頭發(fā)的比較：每一根碳纖維由數(shù)千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5至8微米。在原子層面的碳纖維跟石墨很相近，是由一層層以六角型排列的碳原子所構(gòu)成。兩者差別在于層與層之間的連結(jié)。石墨是晶體結(jié)構(gòu)，它的層間連結(jié)松散，而碳纖維不是晶體結(jié)構(gòu)，層間連結(jié)是不規(guī)則的。這樣便防止滑移增強(qiáng)物質(zhì)強(qiáng)度。


 
碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500MPa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000MPa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結(jié)構(gòu)組件時(shí)，往往利用其耐拉質(zhì)輕的優(yōu)勢(shì)而避免去做承受側(cè)面沖擊的部分。
 
碳纖維材料的優(yōu)勢(shì)
碳纖維是一種含碳量高于90%的無(wú)機(jī)高分子纖維，它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟性，制備碳纖維是一個(gè)繁雜的過(guò)程，從原絲到成品需要經(jīng)過(guò)預(yù)氧化，高溫炭化，石墨化，表面處理等諸多步驟，每一步驟又有著諸如碳化溫度，預(yù)氧時(shí)間等嚴(yán)格的參數(shù)限制；成品碳纖維的軸向強(qiáng)度高，密度低、比性能高，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，繁雜的生產(chǎn)過(guò)程無(wú)疑造就了它優(yōu)異的品質(zhì)。
 
如果咬文嚼字的話(huà)，應(yīng)用在超跑或賽車(chē)上的材料不能稱(chēng)之為碳纖維，單純的碳纖維除用作絕熱保溫材料外一般不單獨(dú)使用，它多作為增強(qiáng)材料加入到樹(shù)脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料，所以準(zhǔn)確地說(shuō)，賽車(chē)及超跑中的碳纖維應(yīng)稱(chēng)作碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。近年來(lái)，在汽車(chē)領(lǐng)域碳纖維被越來(lái)越多地應(yīng)用，它帶來(lái)的效果是顛覆性的，諸多好處不勝枚舉。
 
碳纖維特點(diǎn)之一就是質(zhì)量輕，這種材料應(yīng)用在超跑或賽車(chē)上帶來(lái)最直觀的改變就是整車(chē)重量的降低，在動(dòng)力系統(tǒng)不變的前提下，減重的車(chē)身會(huì)帶來(lái)更出色的加速感受，相對(duì)于扔掉空調(diào)、音響等配置的減重方法，碳纖維材料的應(yīng)用在保留舒適配置的同時(shí)達(dá)到了更好的效果，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)減輕重量40～60％，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)重量的1/3～1/6。
 
碳纖維為車(chē)輛輕量化做出的貢獻(xiàn)是毋庸置疑的，但更輕的質(zhì)量是否意味著更低的強(qiáng)度呢？答案是否定的！碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7-9倍，雖然只是軸向強(qiáng)度出色，但也足以滿(mǎn)足對(duì)車(chē)輛安全性能的需求，"越厚的鋼板意味著越高的安全性能"這種說(shuō)法本身是不太正確的，決定車(chē)體安全水平的因素主要是看車(chē)架的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，所以碳纖維材料的應(yīng)用與整車(chē)安全性能沒(méi)有太大關(guān)系。


 
除了上述優(yōu)點(diǎn)外，碳纖維復(fù)合材料還具有出色的耐熱性(可以耐受2000℃以上的高溫)及出色的抗熱沖擊性，這使得它成為了發(fā)動(dòng)機(jī)罩的理想材料，另外它的熱膨脹系數(shù)很低，使得車(chē)輛在高熱情況下運(yùn)轉(zhuǎn)也不會(huì)帶來(lái)變形，優(yōu)秀的抗腐蝕與輻射性能也是普通鋼材料不可比擬的。
 
說(shuō)到碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)上的應(yīng)用，大家一定不會(huì)陌生。碳纖維材料在最近幾年發(fā)展迅猛。小到手機(jī)殼，簽字筆，大到汽車(chē)，飛機(jī)，碳纖維越來(lái)越多的出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中。要說(shuō)碳纖維在汽車(chē)領(lǐng)域方面的應(yīng)用，大家最熟悉的應(yīng)該是車(chē)內(nèi)飾中應(yīng)用的碳纖維飾件了。然而碳纖維在汽車(chē)領(lǐng)域還有更重要的應(yīng)用，便是應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身。
 
針對(duì)碳纖維材料能否在未來(lái)汽車(chē)領(lǐng)域大放異彩這個(gè)問(wèn)題，我想各位看客一定有自己的獨(dú)到見(jiàn)解。在這，我為各位簡(jiǎn)單介紹一下碳纖維復(fù)合材料，碳纖維材料的優(yōu)缺點(diǎn)及其在現(xiàn)今汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用。
 
首先，我們來(lái)簡(jiǎn)單了解一下碳纖維材料。碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維和樹(shù)脂等材料通過(guò)一定比例混合，經(jīng)過(guò)一系列固化處理得到的具有優(yōu)異性能的新型材料。這種材料具有傳統(tǒng)金屬材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。
 
優(yōu)點(diǎn)一：強(qiáng)度高。碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能優(yōu)于金屬材料。其抗拉強(qiáng)度時(shí)普通鋼材的4-5倍，剛度是普通鋼材的3-4倍。人們?cè)絹?lái)越注重汽車(chē)的安全性，在“德系車(chē)與日系車(chē)誰(shuí)能安全”“鐵皮厚與薄誰(shuí)更安全”等問(wèn)題上，汽車(chē)愛(ài)好者已討論多年，表面上是爭(zhēng)個(gè)誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)，但實(shí)質(zhì)上反映的事人們對(duì)于汽車(chē)安全性的看重。這樣一種高強(qiáng)度的材料應(yīng)用到車(chē)身上，汽車(chē)的安全性會(huì)大大增加。
 
優(yōu)點(diǎn)二：質(zhì)量輕。碳纖維復(fù)合材料在有著優(yōu)良機(jī)械性能的同時(shí)，又有著超輕的質(zhì)量。人們傳統(tǒng)意識(shí)中的“越結(jié)實(shí)就肯定越重”的觀念被徹底顛覆。在比普通鋼材強(qiáng)度高上數(shù)倍的同時(shí)，它的質(zhì)量?jī)H為鋼材的數(shù)分之一。在越來(lái)越注重環(huán)境保護(hù)，越來(lái)越注重汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的今天，輕車(chē)身已經(jīng)成為汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)，由捷豹XE等車(chē)型所采用的全鋁車(chē)身便可見(jiàn)一斑。但全鋁車(chē)身有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)——維修問(wèn)題。相比鋁合金車(chē)身，碳纖維車(chē)身更易于維修。
 
碳纖維復(fù)合材料還有耐腐蝕，易于造型等優(yōu)點(diǎn)。上述這些優(yōu)點(diǎn)讓碳纖維復(fù)合材料成為車(chē)身制造的絕佳材料，甚至用它來(lái)制作輪輞。


 
當(dāng)然任何事物都不是完美的，有優(yōu)點(diǎn)便有缺點(diǎn)。其中最明顯的便是成本高，價(jià)格貴。碳纖維的生產(chǎn)和后續(xù)加工成本極高。這也就不難理解為什么寶馬i3，i8那么貴了，除了品牌價(jià)值，電力動(dòng)力技術(shù)等，車(chē)身也絕對(duì)占了不少份額。另一個(gè)需要提到的是回收問(wèn)題。目前關(guān)于碳纖維復(fù)合材料的回收還沒(méi)有很好的解決辦法，如果不能進(jìn)行再利用，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。國(guó)內(nèi)外不少團(tuán)隊(duì)正在關(guān)注這個(gè)問(wèn)題，并致力于找到好的解決辦法。
 
這些優(yōu)缺點(diǎn)也造就了目前碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。現(xiàn)在其更多的應(yīng)用在超級(jí)跑車(chē)，F(xiàn)1賽車(chē)上。
 
值得一提的是，寶馬集團(tuán)對(duì)于碳纖維的關(guān)注和投入非常高。早在2009年德國(guó)西格里集團(tuán)與寶馬集團(tuán)就宣布共同成立合資公司，生產(chǎn)用于汽車(chē)工業(yè)的碳纖維和碳纖維織物。并在北美和德國(guó)建立分廠。在前段時(shí)間發(fā)布的寶馬i3，i8電動(dòng)車(chē)的車(chē)身便采用的是碳纖維復(fù)合材料。寶馬M4的車(chē)頂也采用了碳纖維材料。
 
2014年5月9日，兩集團(tuán)又在位于美國(guó)華盛頓州摩西湖的西格里汽車(chē)碳纖維公司摩西湖工廠舉辦擴(kuò)產(chǎn)奠基儀式，宣布繼續(xù)擴(kuò)大這家合資企業(yè)的產(chǎn)能，計(jì)劃于2015年初完成擴(kuò)建項(xiàng)目，碳纖維的年產(chǎn)能將達(dá)到9000噸。屆時(shí)，摩西湖工廠將成為世界上最大的碳纖維生產(chǎn)基地。在提高產(chǎn)能的同時(shí)，寶馬建立目標(biāo)，到2020年，將碳纖維車(chē)架的造價(jià)降低到與鋁制車(chē)架同一水平。由此可見(jiàn)寶馬對(duì)于未來(lái)汽車(chē)領(lǐng)域的重視，其卓識(shí)遠(yuǎn)見(jiàn)值得國(guó)內(nèi)汽車(chē)廠商學(xué)習(xí)。
 
汽車(chē)外殼大家都比較了解，有些人認(rèn)為汽車(chē)的車(chē)身外殼大家所說(shuō)的鐵皮是鐵質(zhì)的，其實(shí)鐵皮并不局限于鐵質(zhì)合金，很多汽車(chē)品牌車(chē)身外殼采用鋁合金、高韌性材料或者碳纖維材料。對(duì)于鋁合金和塑料可能比較了解，碳纖維雖然不是什么新型材料但知道他的人并不多，只是有些車(chē)主在改裝時(shí)，在汽車(chē)外殼或裝飾品上貼上一層薄薄的仿碳纖維貼膜而已。說(shuō)起碳纖維讓人立即聯(lián)想到高大上的汽車(chē)，扒開(kāi)大腦想一想凡是應(yīng)用碳纖材料的汽車(chē)不是高端汽車(chē)就是賽道賽車(chē)，再有就是私人訂制和發(fā)燒友改裝的汽車(chē)了。碳纖維材料為什么如此受歡迎呢，它有什么優(yōu)點(diǎn)呢？
 
碳纖維（carbon fiber，簡(jiǎn)稱(chēng)CF），是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。 碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為 23000~43000Mpa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結(jié)構(gòu)組件時(shí)往往利用其耐拉質(zhì)輕的優(yōu)勢(shì)而避免去做承受側(cè)面沖擊的部分。
 
隨著從短纖碳纖維到長(zhǎng)纖碳纖維的學(xué)術(shù)研究，使用碳纖維制作發(fā)熱材料的技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸進(jìn)入軍用和民用領(lǐng)域。車(chē)用碳纖維復(fù)合材料可用作汽車(chē)傳動(dòng)軸、板簧、構(gòu)架和剎車(chē)片等制件。目前鋼鐵材料約占車(chē)體重量的3/4，如果汽車(chē)的鋼材部件全部由碳纖維復(fù)合材料置換，車(chē)體重量可減輕300kg，燃油效率提高36%，二氧化碳排放量可削減17%。


 
1、汽車(chē)車(chē)身和底盤(pán)的應(yīng)用，由于碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料有足夠的強(qiáng)度和剛度，是制造汽車(chē)車(chē)身和底盤(pán)等主要結(jié)構(gòu)件的最輕材料。預(yù)計(jì)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車(chē)車(chē)身和底盤(pán)減輕質(zhì)量40% ～ 60%， 相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/3 ～ 1/6。常見(jiàn)的賽車(chē)車(chē)身、部分改裝車(chē)身都是為此，另外在視覺(jué)效果上絕佳非常炫酷。
 
2、剎車(chē)片的應(yīng)用，碳纖維還因?yàn)槠洵h(huán)保和耐磨的特點(diǎn)而應(yīng)用在剎車(chē)片上，但含有碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)品都價(jià)格偏高，所以這種剎車(chē)片還主要應(yīng)用在高檔汽車(chē)上。碳纖維制動(dòng)盤(pán)被廣泛用于競(jìng)賽用汽車(chē)上，如F1 賽車(chē)。它能夠在50 ｍ的距離內(nèi)將汽車(chē)的速度從300 km/h 降低到50 km/h，此時(shí)制動(dòng)盤(pán)的溫度會(huì)升高到900 ℃以上，制動(dòng)盤(pán)會(huì)因?yàn)槲沾罅康臒崮芏兗t。碳纖維制動(dòng)盤(pán)能夠承受2 500 ℃的高溫，而且具有非常優(yōu)秀的制動(dòng)穩(wěn)定性。
 
3、輪轂的應(yīng)用，德國(guó)的輪轂制造專(zhuān)家推出的輪轂系列，采取2 片式設(shè)計(jì)，外環(huán)為碳纖維材質(zhì)打造，內(nèi)轂為輕量化的合金，搭配不銹鋼制的螺絲，較一般同尺碼的輪轂質(zhì)量低40%左右。以20 寸的輪轂為例，該 輪轂質(zhì)量為6 kg，而一般輪轂約重18 kg。英國(guó)Kahm 公司使用CFRP 制得的RX-X 型高級(jí)汽車(chē)專(zhuān)用車(chē)輪，質(zhì)量?jī)H為6 kg，可高速行駛，并可最大限度地降低車(chē)輪的徑向慣性力。由英國(guó)DYMAG 公司開(kāi)發(fā)的世界最輕碳纖維/鎂車(chē)輪由碳纖維輪網(wǎng)和鎂剎車(chē)盤(pán)2 部組成，并用鍍鈦的特殊硬件連接起來(lái)。
 
4、傳動(dòng)軸應(yīng)用 ，汽車(chē)傳動(dòng)軸的受力情況比較復(fù)雜，尤其要承受很大的扭矩，充分考慮了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料各向異性、比強(qiáng)度高和比模量相對(duì)較低的特點(diǎn)，從而使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料傳動(dòng)軸能夠替代金屬產(chǎn)品，滿(mǎn)足使用要求。碳纖維傳動(dòng)軸它不僅減輕了60%的重量，而且具有更好的耐疲勞性和耐久性。
 
汽車(chē)上碳纖維的應(yīng)用只要是為了實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化的同時(shí)還能滿(mǎn)足足夠的汽車(chē)剛性需求，不但能達(dá)到節(jié)能減排的全球性需求，也能滿(mǎn)足大眾滿(mǎn)足大眾所關(guān)系的省油問(wèn)題。碳纖材料可以作為未來(lái)汽車(chē)的主流材料，但是優(yōu)秀產(chǎn)品總有它的弊端那就是成本太高，小小部件價(jià)格都維持在上萬(wàn)元，所以只要能降低成本碳纖材料就能成為主流材料。
 
關(guān)于未來(lái)車(chē)身能否采用碳纖維復(fù)合材料，這個(gè)還需要時(shí)間來(lái)驗(yàn)證，但目前來(lái)看，是有這個(gè)趨勢(shì)的。能否解決掉碳纖維復(fù)合材料的那些缺點(diǎn)，或者如何來(lái)平衡其優(yōu)缺點(diǎn)是關(guān)鍵所在。不管未來(lái)如何，汽車(chē)車(chē)身的發(fā)展肯定是向著好的方向發(fā)展，最終受益的還是消費(fèi)者。（文章來(lái)源：搜狐網(wǎng)）