新材料与工艺手册

[轻量化材料] 碳纤维复合材料汽车零部件开发与应用前景

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发表于 2020-7-13 17:33:33 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】碳纤维复合材料汽车零部件开发与应用前景
陈洪兴 李文龙 梁敏杰(吉林省东风化工有限责任公司,吉林 吉林 132021)
摘要:改革开放以后,人们的生活水平逐步提高,人们出行对于汽车的需求逐步增加,需求刺激了汽车行业与相关产业的发展,尤其是汽车零部件开发与制造企业。在汽车零部件开发过程中,碳纤维复合材料逐步成为新兴的材料类型,其具备结构稳定、耐腐蚀和抗高温等特性,并且还具有良好的环保性能,在此情况下,碳纤维复合材料汽车零部件的开发具有良好的发展前景。该文从碳纤维复合材料的相关概念着手,分析了碳纤维复合材料的开发历程与具体应用,对于提升该材料的应用价值具有重要的意义。
关键词:碳纤维复合材料;汽车行业;零部件开发;应用前景

近年来,随着经济社会的发展,汽车生产与制造行业逐渐成为国民经济的支柱产业,随着汽车行业的日益发展,开始应用各种新型的制造材料,以碳纤维复合材料为例,其在很多汽车零部件的开发中得到了极为普遍的应用,满足了现代汽车行业低碳环保理念的发展要求,适应了可持续发展的趋势,实现了汽车行业的创新发展。碳纤维复合材料的性能良好,并且其环保效益极好,在汽车行业受到了很多制造厂家的青睐,未来还将具有广阔的发展与应用价值。


1 碳纤维复合材料
1.1 碳纤维复合材料概念

从碳纤维的构成来看,该种材料中的碳含量高达95%以上,是一种强度与模量纤维都较高的新型材料。从碳纤维的形成过程来看,由片状石墨微晶等有机纤维沿着纤维轴向堆砌而成,随后经过碳化与石墨化处理以后形成。碳纤维比金属的性能要好,例如与金属铝相比,碳纤维质量较轻,与钢铁相比,碳纤维的强度更高,且自身具有良好的抗腐蚀等特性,在实际的应用中,不仅可以充分发挥碳材料的特性,还具备纺织纤维的柔软性,可以实现各种加工处理,其应用价值极高。碳纤维与树脂、金属等的基体复合,可以形成碳纤维复合材料。


1.2 碳纤维复合材料的特征

1.2.1 具有很高的比强度与比模量

碳纤维复合材料的强度、模量等指标与金属材料并没有明显的差距,主要是其密度极小。与金属材料相比,比强度可以与比模量都远高于金属材料,因此,这种特性决定了在实际应用中,在单位质量相同的条件下,碳纤维复合材料的承载能力较强,而承载能力相同时,碳纤维复合材料的质量更小。

1.2.2 具有良好的抗疲劳性能

碳纤维复合材料本身具备极高的抗疲劳特性。具体来说,当材料在受到一定的荷载以后,内部裂纹会逐步扩展,从而加速材料的断裂等。碳纤维复合材料在应用过程中,碳纤维与基体之间的作用可以在一定程度上避免裂纹的扩展,因此,其具有良好的抗疲劳特性。

1.2.3 具有更高的破损安全性

在传统的金属材料的应用中,一旦其受到破坏作用,其破坏、开裂、脱黏过程基本可以一步到位,而碳纤维复合材料则不同,该破坏作用并不是瞬时的过程。如果断裂的只是材料中的少部分纤维,那么基体依然可以进行荷载的传递与分布,在一定程度上还可以对破坏作用起到一定的保护与延缓作用。

1.2.4 具有良好的减震性

就碳纤维复合材料的受力结构来看,其自震频率与本身的形状、材料比模量二次方等存在紧密的联系,一般情况下,材料的自震频率较高,但是,碳纤维复合材料的界面可以进行能量的吸收,因此,其具有良好的减震性能。

1.2.5 耐高温、耐腐蚀

碳纤维复合材料本身具有耐高温、耐腐蚀的特性,这种特性可以使碳纤维复合材料可以被广泛地应用于各种生产中。


2 碳纤维复合材料发展历史与发展现状

从20 世纪70 年代开始,碳纤维复合材料引起了人们的重视。就我国碳纤维复合材料的研究与应用来看,其远远落后于发达国家,经过多年的发展,逐步取得了一定的发展成果,在国内市场,初步形成了一条相对完善的碳纤维复合材料产业链,碳纤维复合材料被广泛地应用于航空航天、汽车制造等多个领域。就碳纤维复合材料的应用现状来看,其价格较高,因此,价格因素成为制约其应用的重要因素,很多生产过程中将碳纤维复合材料作为辅料使用。另一方面,我国碳纤维复合材料的研发与创新不足,多依赖于进口,因此,未来需要加大该材料的研究力度。与普通的材料相比,零部件自动化的实现可以达到控制成本的目的,因此,碳纤维复合材料在汽车零部件生产中将具有广阔的发展前景。


3 碳纤维复合材料汽车零部件开发

碳纤维复合材料的特性决定了其可以在汽车生产与制造中发挥重要的作用。以美国、如本等发达国家为例,这些国家碳纤维复合材料的应用技术已趋于成熟,宝马I3 电动车车身就应用了该材料,这是碳纤维复合材料应用的成功典范。就该材料在宝马I3 中的应用来看,其主要突破了2 方面的技术限制。1)开发并使用了可以在汽车生产中使用的碳纤维复合材料,实现了汽车生产成本的有效控制。2)逐步开发并应用了全新树脂体系、高压条件下的RTM 成型技术,不仅保证了生产的效率,还达到了成本控制的理想效果,从而有利于实现规模化生产,因此,该应用为碳纤维复合材料的大力推广奠定了良好的基础。

东丽与丰田还联合开发了一种热塑性较好的碳纤维复合材料、燃料电池反应堆框架等,开发出的这些技术成果在电池汽车中都取得了极为良好的应用效果。就这种材料的开发过程而言,其成型时间极短,其生产效率远远高于热固性材料,因此,这种特性为规模化、批量化生产提供了便利。

就我国碳纤维复合材料在汽车零部件生产中的应用来看,其技术还不成熟,虽然少数企业逐步研发出了相关的碳纤维复合材料,但是其生产与应用中还存在着诸多的限制因素,无法实现批量生产与使用。随着我国政府对汽车生产行业宏观政策的调整,许多汽车生产企业越来越关注碳纤维复合材料,但是常常受到技术等因素的限制,使其在汽车零部件的应用中存在一定的限制。碳纤维复合材料的应用中还需要充分结合国家相关的规定来加以开发与应用,从而使该材料的应用能够符合国家相关的标准与规范,满足经济社会可持续发展的必然要求,实现汽车生产行业的创新发展。


4 碳纤维复合材料汽车零部件前景

近年来,经济社会的发展带动了人们生活水平的提高,因此,汽车需求逐步增加,我国逐步成为汽车生产与销售大国。在汽车生产中,使用的复合材料类型较多,但是,有些复合材料的应用范围有限,并不能够在汽车生产领域中大力推广。随着汽车行业的快速发展,汽车生产与制造越来越关注其环保、节能发展的效果,尤其是近年来油价飙升,使高强、轻质的碳纤维复合材料在未来的汽车生产企业中必然在占据着重要的位置,具有广阔的发展空间,还会带动其他相关技术等的进步,实现汽车制造行业的长远、可持续发展。


5 结语

碳纤维复合材料基于其良好的性能优势,在汽车零部件的开发与应用中将具有良好的应用前景,相关部门要加大对碳纤维复合材料的研究力度,提升该种材料的应用价值,扩展碳纤维复合材料的应用范围,实现汽车生产行业的可持续发展,以适应节能环保的发展要求。




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