隨著材料性能、成型工藝的提高及價格成本的下降，碳纖維復(fù)合材料被越來越多的應(yīng)用到一般工業(yè)和體育休閑等領(lǐng)域。在全球節(jié)能和環(huán)保趨勢的推動下，汽車的油耗問題越來越引起重視，輕量化設(shè)計成為汽車節(jié)能減排的有效途徑，而碳纖維復(fù)合材料的材料性能及發(fā)展趨勢正順應(yīng)了汽車工業(yè)的發(fā)展需求。

碳纖維復(fù)合材料比鋼鐵輕50%，比鋁材輕30%，減重效果明顯，因此不少汽車廠家在汽車制造和改裝過程中為追求極致輕量化開始嘗試大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料。隨著新能源汽車的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在汽車上將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

汽車零部件,汽車材料，碳纖維

 

碳纖維復(fù)合材料部件的特點

1質(zhì)量輕強度高
 

        汽車上常用的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的密度為1.5～2.0g/cm3，只有普通碳鋼1/4～1/5，比鋁合金還要輕1/3 左右，而且碳纖維復(fù)合材料的機械性能優(yōu)于金屬材料，其抗拉強度高于鋼材3～4倍，剛度高于鋼材2～3倍，耐疲勞性高于鋼材2倍，重量比鋼材輕3～4倍，熱膨脹系數(shù)小4～5倍。

 

        若按比強度計算，碳纖維復(fù)合材料大大超過碳鋼，而且可超過某些特殊的合金鋼，因此具有更高的比強度。使用碳纖維材料，在減輕車身質(zhì)量的同時，也可使功率需求更小，進而采用更小的驅(qū)動引擎和懸掛裝置，通過減少動能而減少沖擊危險，這種螺旋式的結(jié)果將使車身質(zhì)量進一步減輕。因此用碳纖維材料件替換原來的鋼制件，其輕量化效果明顯。

 

2 可設(shè)計性好
 

        碳纖維復(fù)合材料的可設(shè)計性非常強，可以根據(jù)不同的用途要求，靈活地進行產(chǎn)品設(shè)計。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受力情況，通過調(diào)整纖維的結(jié)構(gòu)及排列制成各向異性和不同厚度的制品，并且可以應(yīng)用夾層結(jié)構(gòu)，提高部件整體剛性，以達到最佳輕量化設(shè)計方案。

 

       將碳纖維按照受力方向進行排布，可充分發(fā)揮復(fù)合材料強度的各項異性從而達到節(jié)約材料和減輕重量的目的。而金屬材料由于其各向同性，會出現(xiàn)在滿足最大受力方向的技術(shù)要求之后，另一方向的強度就會過剩的問題。

 

        對于有耐腐蝕性能要求的產(chǎn)品，設(shè)計時可選用耐腐蝕性能好的基體樹脂和增強材料，而對于其他一些性能要求，如介電性能、耐熱性能等，都可通過選擇合適的原材料來滿足。此外，為使產(chǎn)品成本達到可接受的程度，可適當選用低成本材料替換，如不同纖維混合鋪層，在滿足部件性能指標的同時節(jié)省材料成本。

 

3 零部件一體化
 

        汽車從節(jié)能角度考慮應(yīng)當設(shè)計成空氣阻力最小的外形，同時兼顧其美觀性。鋼制薄板在沖壓成型時由于工藝原因?qū)е峦庑渭敖Y(jié)構(gòu)往往受到限制，而使用復(fù)合材料在成型時利用它的流動性，比較易于制成各種形狀的曲面，達到一體化成型效果，更容易滿足空氣動力學(xué)設(shè)計的要求以及美觀方面的需要。

 

        模塊化、整體化也是汽車結(jié)構(gòu)的一種發(fā)展趨勢，碳纖維復(fù)合材料通過合理的模具設(shè)計，可以把不同厚度的零件、凸起部、筋、棱等全部一體成型。因此，復(fù)合材料適合于制造鋼制薄板難于制造、生產(chǎn)效率低、難于保證精度的汽車零件。

 

        如蓮花跑車以整車使用碳纖維材質(zhì)為目標，將車身零部件輕量化、一體化，不僅減輕了車身重量，并且使得部件的剛度、強度大大增加，提高了整車性能。

 

4耐沖擊性
 

        碳纖維復(fù)合材料表現(xiàn)的耐沖擊性也良好，以聚合物為基體的碳纖維復(fù)合材料具有一定的粘彈性力學(xué)性能，可以吸收一定的沖擊能量。

 

        此外，基體材料和纖維界面上存在微裂紋和局部脫粘現(xiàn)象，碳纖維和基體之間有微小的局部相對運動，同時存在著摩擦力。

 

        由于粘彈性和界面摩擦力的作用，使得振動衰減系數(shù)大，因此在車輛受沖擊時能夠吸收大量的沖擊能量，有利于提高人身安全。

 

5 耐腐蝕性能好
 

       汽車上的許多零部件，都要承受機油、汽油、汽車傳動液等化學(xué)制劑的腐蝕，以及高溫、嚴寒、鹽霧等惡劣環(huán)境，傳統(tǒng)金屬材料難以保證不同環(huán)境下的質(zhì)量一致性及使用壽命。

 

       但碳纖維復(fù)合材料制品一般不存在生銹和腐蝕問題。聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐酸性能、耐海水性能，也能耐堿、鹽和有機溶劑。因此，它是一種優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制造的汽車零部件具有較長的使用壽命和極低的維修費用。

 

6碳纖維/熱塑性復(fù)合材料
 

       碳纖維增強樹脂復(fù)合材料所用的基體樹脂主要分為兩大類, 一類是熱固性樹脂, 另一類是熱塑性樹脂。熱固性樹脂由反應(yīng)性低分子量預(yù)聚體或帶有活性基團高分子量聚合物組成;成型過程中, 在固化劑或熱作用下進行交聯(lián)、縮聚, 形成不熔不溶的交聯(lián)體型結(jié)構(gòu)。在復(fù)合材料中常采用的有環(huán)氧樹脂、雙馬來酰酞亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂以及酚醛樹脂等。

 

        熱塑性樹脂由線型高分子量聚合物組成, 在一定條件下溶解熔融, 只發(fā)生物理變化。常用的有聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。在碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料中, 碳纖維起到增強作用, 而樹脂基體則使復(fù)合材料成型為承載外力的整體, 并通過界面?zhèn)鬟f載荷于碳纖維, 因此它對碳纖維復(fù)合材料的技術(shù)性能、成型工藝以及產(chǎn)品價格等都有直接的影響，碳纖維的復(fù)合方式也會對復(fù)合材料的性能產(chǎn)生影響。

 

7碳纖維增強尼龍6復(fù)合材料
 

       短切碳纖維增強熱塑性樹脂復(fù)合材料（SCFRTP)是工程材料中一個重要的組成部分。這類復(fù)合材料通常具有較好的機械性能、良好的經(jīng)濟效益并且可以通過熱壓成型、擠出成型或注塑成型的方法制造出各種形狀的產(chǎn)品。尼龍6是一種具有較廣的應(yīng)用領(lǐng)域的熱塑性樹脂材料，而填料增強改性是提升尼龍6復(fù)合材料性能較為常用且有效的改性方法。

 

       碳纖維增強尼龍6復(fù)合材料（PA6/CF)的研究，在近年來受到了大量的關(guān)注。PA6/CF復(fù)合材料的性能受到許多因素的影響：加工方法與工藝，復(fù)合材料中碳纖維的含量與長度，碳纖維的分散性及取向，碳纖維與PA6界面結(jié)構(gòu)及尼龍6與碳纖維本身的特性等。

 

       然而，熱塑性復(fù)合材料的機械性能主要取決于聚合物基體的微觀結(jié)構(gòu)與纖維與基體的界面性能，因而對比分析復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能顯得尤為重要。

 

        此外，PA6作為半結(jié)晶聚合物復(fù)合材料，PA6/CF的機械性能依賴于PA6基體的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與形貌，結(jié)晶結(jié)構(gòu)與形貌則取決于復(fù)合材料的加工工藝將PA6/CF復(fù)合材料的微觀形貌和結(jié)構(gòu)與宏觀性能系統(tǒng)的聯(lián)系起來的研究還鮮有報道。

 

8碳纖維增強聚丙烯復(fù)合材料
 

       碳纖維能夠使聚丙烯的彈性模量有所提升，但降低了材料的拉伸強度、沖擊強度及斷裂伸長率。碳纖維對聚丙烯有一定的異相成核作用，提升了聚丙烯基體的非等溫結(jié)晶峰溫度與結(jié)品度，并且促進PP基體中形成了β晶型。等溫結(jié)晶過程中聚丙烯易于在碳纖維斷面端部成核結(jié)晶。

 

        EPDM-g-MAH 與SEBS-g-MAH在PP基體中的分散性較好，使PP的沖擊強度與斷裂伸長率有明顯的提升，加入EPDM-g-MAH與SEBS-g-MAH的PP/CF復(fù)合材料具存較高的沖擊強度與彈性模量。

 

        PP/CF復(fù)合材料中增韌劑的加入導(dǎo)致了基體聚丙烯的成核能力的降低與結(jié)晶生長速率減慢。増韌劑并未改變PP/CF復(fù)合材料的結(jié)晶晶型，加入增韌劑的PP/CF復(fù)介材料中碳纖維的成核作用變得明顯，使復(fù)合材料中的球晶主要生長在碳纖維附近。

 

        我國應(yīng)加快對碳纖維的研發(fā)，力爭在設(shè)備、技術(shù)上得到實質(zhì)性的突破，并提高性能，降低成本，以使我國碳纖維工業(yè)得到跨越式的發(fā)展；同時，也能推動汽車及其相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展。