碳(石墨)纤维增强复合材料在汽车中的应用

作者：上海交通大学 张国定 刘臻炜

欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 碳（石墨）纤维具有比重小、强度高、模量高、耐腐蚀等特点，可用于制造碳（石墨）纤维增强聚合物、金属、陶瓷基复合材料，是先进复合材料最重要的增强体。碳纤维增强复合材料用于制造汽车车身、发动机零件等，可有效降低汽车自重并提高汽车性能，是当前汽车材料轻量化的重要研究发展方向之一。本文将简述碳纤维增强复合材料的性能特点，及其在汽车工业应用的前景和存在的问题。 随着汽车工业的飞速发展，减少燃料消耗和降低对环境的污染已成为汽车工业发展和社会可持续发展急需解决的关键问题。汽车的燃料消耗和CO2废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，美国能源部相关研究表明，美国现有的汽车，如减重25％，每天可节省750,000桶燃油，每年CO2的排放量可减少1.01亿吨，因此汽车轻量化已成为汽车工业技术发展的重要方向。除了对汽车各种零部件结构进行优化设计和改进外，采用高性能轻质材料是实现汽车轻量化的一条重要途径。如选用铝、镁、钛、高强度钢、工程塑料和复合材料等，用以制造汽车车身、底盘、发动机等零部件，可以有效的减轻汽车自重，提高发动机效率。 碳纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，是制造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料。它也是适用于制造汽车主结构――车身、底盘最轻的材料，受到汽车工业广泛重视。但由于碳纤维增强复合材料的价格昂贵，严重影响其在汽车工业中的应用。因此，发展廉价的碳纤维和高效率碳纤维增强复合材料的生产方法和工艺已成为汽车轻量化材料研究中的关键课题，美国、日本等已将其列为汽车轻量化材料的研究计划。 碳纤维及复合材料的性能特点 碳（石墨）纤维是以有机纤维――聚丙烯晴（PAN）纤维、粘胶纤维、沥青纤维等原丝经过预氧化、碳化、石墨化等高温固相反应工艺过程制备而成，由有择优取向的石墨微晶构成，因而具有很高的强度和弹性模量（刚性）。它的比重一般为1.70～1.80g/cm3，强度为1200～7000MPa，弹性模量为200～400GPa，热膨胀系数接近于零，甚至可为负值（～1.5×10-6）。各种类型的碳纤维性能见表1。 碳纤维同时具有导热、导电、耐高温、耐腐蚀等优良的综合性能。这些优良的综合性能使碳纤维成为先进复合材料最重要的增强纤维，可以用来增强聚合物（热固性、热塑性聚合物）组成高性能聚合物基复合材料；增强铝、镁、铜等金属组成碳/铝、碳/镁、碳/铜等金属基复合材料；增强碳、陶瓷组成耐高温的陶瓷基复合材料。碳纤维复合材料可以通过基体、纤维的选择、碳纤维含量和分布的优化设计做成性能能够满足多种要求的各种高性能构件，满足航天航空、电子信息、汽车等领域的需求。图2是碳纤维增强复合材料与钢、铝、钛等常用工程材料的强度、比模量的比数，可见碳纤维增强复合材料的比强度、比模量高出常用材料数倍，特别是碳纤维增强聚合物基复合材料的力学性能明显高出常用的工程材料。 由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40～60％，相当于钢结构重量的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172kg，而钢制车身重量为368kg，减重约50％。并且当生产量在2万辆以下时，采用RTM工艺生产复合材料车身成本要低于钢制车身。但由于碳纤维成本过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限，仅在一些F1赛车、高级轿车、小批量车型上有所应用，如BMW公司的Z-9、Z-22的车身，M3系列车顶蓬和车身，GM公司的Ultralite车身，福特公司的GT40车身、保时捷911 GT3承载式车身等。 为提高碳纤维增强复合材料的用量，美国、欧洲、日本等通过加紧研究廉价碳纤维的原丝（高品级聚丙烯晴丝）和碳纤维的低成本、高速率的生产工艺，使碳纤维的价格降低到约3美元/磅。目前碳纤维增强复合材料已用于赛车、重卡、混合动力车的各种零部件的生产。 碳纤维复合材料在汽车中广泛应用的障碍和解决途径 碳纤维增强复合材料在汽车中的应用目前存在一些技术障碍和问题急需研究解决。 1. 成本问题。碳纤维增强复合材料所用的纤维和基体材料价格高，是该材料在汽车工业广泛使用最大的障碍。生产碳纤维的原丝――聚丙烯晴丝较贵，美国正在研究以纺织商品级的聚丙烯晴丝为原丝并能够快速生产廉价碳纤维的工艺，可望将碳纤维的价格降至3美元/磅。 2. 缺乏大批量、高生产效率的碳纤维复合材料汽车零部件的生产方法。 需研究法政能够生长多种形状和性能的汽车零部件工艺方法，由于汽车行业特点，要求工艺成本要低，生产率要高。研究发展高效、低成本的复合材料零件生产工艺意义重大。 3. 缺乏复合材料的快速、大批量连接技术。 4. 复合材料汽车零部件的回收再利用问题。 碳纤维增强热固性树脂基复合材料的回收尚存在一定问题，有待解决。 5. 复合材料汽车零件的设计数据、试验方法、分析工具、碰撞模型等尚不完善。 碳纤维复合材料具有足够的强度和刚度以及优良的综合性能，它的应用将可大幅度降低汽车自重达40～60％，对汽车轻量化具有十分重要的意义，已成为汽车轻量化材料的重要发展方向。目前碳纤维增强复合材料的价格仍比较昂贵，大批量、高效率生产汽车零部件的工艺方法仍需要进一步发展、完善。这些因素使得碳纤维增强复合材料在汽车中的应用还有限。国际上已将碳纤维复合材料在汽车中的应用列为汽车轻量化材料发展计划的关键内容，并取得了重大进展，预期在2010年碳纤维增强复合材料将在汽车中大量应用。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/24/2004)