汽车轻量化的“王者之材”——碳纤维及其复合材料

2020-7-27 09:24 330 0 来自: DT新材料
简介
【汽车轻量化在线】随着全球能源危机爆发和环保意识的增强,各国纷纷推行降低汽车油耗的政策,并突破口放在了汽车轻量化方面。碳纤维及其复合材料是目前众多汽车轻量化解决方案中最前沿、最具潜力的材料。尤其是近两 ...

【汽车材料网】随着全球能源危机爆发和环保意识的增强,各国纷纷推行降低汽车油耗的政策,并突破口放在了汽车轻量化方面。碳纤维及其复合材料是目前众多汽车轻量化解决方案中最前沿、最具潜力的材料。尤其是近两年,新能源汽车的快速发展给碳纤维及其复合材料的发展提供了巨大机遇。

碳纤维(Carbon Fiber, 简称CF),为含碳量在95%以上的高强度碳材料,它是由石墨微晶等有机物纤维沿纤维轴向堆砌而成,经碳化及石墨化工艺处理而得到的微晶石墨集合体。碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维,其中用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维,占市场的90%左右。

当碳纤维结合树脂、固化剂、陶瓷、金属等,经过一系列固化处理,制成的结构材料简称“碳纤维复合材料”,其金属特性可优于金属材料。


(图片来源网络)


碳纤维复合材料的优势

轻量化:碳纤维复合材料具有其他材料不可比拟的比强度和比模量,密度只有1.6g/cm3左右,远低于钢铁和铝,将其应用于车身及其它零部件的设计可降低整车质量的35%左右。


强度高:碳纤维复合材料的抗拉强度一般都在3500Mpa以上,比绝大多数金属的比强度高7倍以上。由碳纤维材料制作的驾驶舱在碰撞中变形极小,可有效保护驾乘者的生存空间。此外,经特殊编织的碰撞吸能结构在高速碰撞中碎裂为较小的碎片,有效提高车辆被动安全。


(图片来自网络)


耐久性:碳纤维复合材料主要由碳纤维丝束和树脂材料组成,化学性质稳定,无需进行表面防腐处理,其耐候性及耐老化性极好,寿命一般为钢材的2-3倍。采用CFRP材料生产的功能性零部件的疲劳强度也远高于钢材。

耐高温:碳纤维在400℃以下性能非常稳定,甚至在1000℃时仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性,树脂基复合材料其长期耐热性达300℃左右,陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。

热膨胀系数小:碳纤维本身的热膨胀系数,室内为负数(-0.5~-1.6)×10-6/K,在200~400℃时为零,在小于1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定,有利于保障驾驶安全性。


碳纤维复合材料在汽车中的应用

基于碳纤维复合材料如此突出的优势,其在汽车车体和零部件中都得到了广泛应用,如:汽车车身、内外饰底盘系统、动力系统等等。


碳纤维复合材料(CFPR)在汽车零部件中的应用情况

据了解,碳纤维复合材料的应用可使汽车车身减轻质量40%-60%,相当于钢结构质量的1/3 -1/6。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究。结果表明,碳纤维增强聚合物材料车身重172 kg,而钢制车身质量为368 kg,减重超过50%。


(图片来源网络)


碳纤维在汽车部件中的应用案例和减重效果


车用碳纤维产业发展现状

目前,国外在碳纤维复合材料方面的发展已初具规模,形成了碳纤维供应商+复合材料供应商+零部件供应商+主机厂的联盟式产业化布局。宝马、丰田、福特、斯巴鲁等车企已经将碳纤维复合材料应用于旗下高性能汽车。然而我国在车用碳纤维方面起步较晚,还未形成产业规模,汽车应用研究环节也亟需加强。


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