汽車輕量化中碳纖維的應用分析

孫延

摘要：汽車輕量化是汽車行業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)過程中的重點問題，隨著相關技術(shù)的發(fā)展，文章通過對汽車輕量化中碳纖維應用的優(yōu)勢進行分析，簡略探討碳纖維在汽車輕量化中的應用方面以及應用過程中存在的問題，并對其應用前景進行展望，以期提高相關技術(shù)的應用水平。

關鍵詞：碳纖維;汽車;汽車輕量化

中圖分類號：TQ342+.742 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0104-03

在汽車行業(yè)的發(fā)展過程中，汽車輕量化對能耗降低所起到的作用已經(jīng)成為行業(yè)從業(yè)人員的共識。具有相關研究發(fā)現(xiàn)，采用必要的輕量化措施，不僅能夠直接降低油耗，還能夠有效提升車輛的動力性能、提升車輛制動效果，改善車輛的操作性能，為駕乘人員提供更加舒適的服務。實現(xiàn)汽車的輕量化，可以從材料、結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)等多個方面入手，在材料應用方面，碳纖維復合材料的應用，是具有光明前景的發(fā)展方向。

1 碳纖維材料的優(yōu)點及不足之處

1.1碳纖維及其制成品的優(yōu)點

碳纖維材料在軍工行業(yè)、航天工業(yè)和民用工業(yè)中都有著廣泛的應用空間，由于碳纖維結(jié)構(gòu)的不同，又可以將其分為不同類型，受制于生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)成本的影響，應用范圍最為廣泛的碳纖維材料是PAN（聚丙烯腈）基碳纖維。在PAN基碳纖維中，小絲束碳纖維屬于“航天級”碳纖維，而大絲束碳纖維則被稱為“工業(yè)級”碳纖維。就整體上而言，碳纖維及其制成品在應用于汽車產(chǎn)業(yè)時，主要有3個方面的優(yōu)勢：①應用于車架結(jié)構(gòu)時能夠直接降低車身重量，并且具有汽車安全行駛時所需要的剛性。②避震結(jié)構(gòu)的作用下能夠減緩車身運動中的震動，提升駕乘感。③碳纖維車架的剛性大，耐久性好，能夠抵抗外界惡劣環(huán)境的影響，并且具有較強的抗腐蝕性能。四是碳纖維材料具有高拉伸強度，加工成型工藝簡單，能夠適用于汽車生產(chǎn)的多個零部件中。由于碳纖維材料所具有的這些優(yōu)勢，使其在汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中必將占有重要的位置。

1.2碳纖維材料在汽車行業(yè)應用的不足之處

雖然碳纖維材料及其制成品在應用于汽車行業(yè)中具有多方面的優(yōu)勢，但是還有諸多方面的限制因素，使得在目前汽車行業(yè)的生產(chǎn)過程中，碳纖維材料無法實現(xiàn)規(guī)?；瘧茫@些限制條件主要包括以下4個方面：①碳纖維材料及其制成品容易出現(xiàn)老化，并且在損毀之后無法進行修復，只能對損毀的零部件進行整體更換。②其加工工藝精度較高，前期處理過程比較復雜，所產(chǎn)生的成本較高，在一定程度上抵消了其所帶來的能耗節(jié)省。③碳纖維的可回收性比較差，在目前的回收利用技術(shù)條件下，無法進行再次利用或者環(huán)保化處理。④碳纖維行業(yè)發(fā)展不均衡，PAN基碳纖維產(chǎn)量占到總產(chǎn)量的90%以上[1]。由于這些方面的原因使得碳纖維材料目前還只是在賽車和部分高端車型的部分零部件生產(chǎn)中得以應用，并取得了良好的效果，但是在普通車型的應用上目前整體上還處于較低的水平，無法充分發(fā)揮其固有的優(yōu)勢。

2 碳纖維在汽車產(chǎn)業(yè)中的應用

碳纖維材料在工業(yè)生產(chǎn)中的應用已有多年的歷史，并不屬于新型材料，但是限制于目前各方面技術(shù)的限制，在汽車產(chǎn)業(yè)中的應用還只是局限于部分車型的零部件中，只能在一定程度上對相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到推動作用。

2.1碳纖維材料在汽車車身上的應用

目前碳纖維材料在汽車車身上的應用大多是在跑車車型上應用，而在日常消費級別的乘用車上，最為知名的是寶馬公司型號為i3的新能源汽車，此外，我國蘇州某汽車公司生產(chǎn)純電動跑車車身也是基于碳纖維材料打造而成。在目前汽車行業(yè)的發(fā)展過程中，碳纖維車身的研究水平已經(jīng)達到較高的程度，并且開始應用于多款汽車的生產(chǎn)之中。基于碳纖維復合材料的汽車車身在車身剛度和防撞擊性能上都優(yōu)于鋼材料和鋁合金材料的車身，并且在生產(chǎn)成本和環(huán)保性能上也優(yōu)于其他兩種材料。但是整體而言，碳纖維材料自身生產(chǎn)規(guī)模還比較小，規(guī)模成本效益并不是太明顯，無法滿足汽車行業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的需要。但是在未來的發(fā)展過程中，隨著碳纖維材料自身研發(fā)水平的不斷提高，其在汽車車身上的應用比例必將不斷提升，在沒有其他新型材料能夠起到替代作用的情況下，碳纖維材料將成為汽車車身的首選材料。

2.2碳纖維材料在制動器襯片上的應用

目前汽車制動器根據(jù)其材質(zhì)的不同，可以分為幾個檔次，最為傳統(tǒng)的材質(zhì)是石棉材料，由于其具有較大的環(huán)境污染，并且在連續(xù)使用過程中性能會出現(xiàn)下降的情況，在國際市場上已經(jīng)被禁止生產(chǎn)和使用，但是在我國的貨車和工程車市場上，還存在一定的市場空間。限制于生產(chǎn)成本等因素的影響，目前普通車型上采用的制動器材料多數(shù)半金屬剎車片，這種材料的剎車片價格比較低廉，但是耐熱性較差，在使用過程中會產(chǎn)生有毒氣體。較為高檔的制動器材料則是新型陶瓷石墨材料，在經(jīng)濟因素和性能因素的影響下，未來這類材料的市場空間將會不斷擴大。性能最好的制動器材料就是碳纖維制動器，但是由于其制造成本較高，并且剎車盤和剎車片要同時采用碳纖維材料制成，所以目前其使用范圍只是局限在賽車生產(chǎn)上，國外某些公司已經(jīng)研制出基于碳纖維和陶瓷材料共同作用的制動器，使其生產(chǎn)成本逐步下降，在未來有利于進一步拓展其應用空間。

2.3碳纖維材料在燃料儲存結(jié)構(gòu)上的應用

由于碳纖維材料本身所具有的強度高、耐腐蝕性強等方面的特征，使其在應用新能源汽車，尤其是電動汽車的燃料儲存結(jié)構(gòu)時，具有獨特的優(yōu)勢。將碳纖維材料與其他類型的新型復合材料相結(jié)合，用以構(gòu)成蓄電池的主要組成結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在諸多車型上得以應用，并取得了較為良好的效果。

2.4碳纖維材料在加熱坐墊上的應用

由于碳纖維材料具有良好的導熱性能，并且其電熱效率比可以達到90%以上，所以在加熱坐墊的應用上已經(jīng)達到了較高的水平。碳纖維加熱坐墊對材料的質(zhì)地要求不高，目前國產(chǎn)碳纖維材料已經(jīng)能夠滿足這方面的要求，并且其使用比較方便，在實際使用過程中可以消費者可以通過自行購買材料進行改裝，因此其具有較為廣闊的市場發(fā)展空間。但是由于這方面的應用對技術(shù)水平要求不高，在市場發(fā)展過程中已經(jīng)受到了智能合金絲材料的挑戰(zhàn)，在未來的市場發(fā)展過程中，兩種材料將會在技術(shù)水平等方面出現(xiàn)激烈競爭的局面。

2.5碳纖維材料在傳動軸上的應用

傳動軸是汽車構(gòu)造中重要的運動構(gòu)件，由于車身結(jié)構(gòu)設計的特點，使得金屬件的傳動軸的工作環(huán)境較為惡劣，在使用過程中需要定期進行潤滑油保養(yǎng)，并且要做好定期檢查工作以確保其工作性能保持穩(wěn)定。在采用碳纖維作為傳動軸的生產(chǎn)材料的情況下，不僅能夠通過汽車輕量化達到節(jié)約能源的目的，還能夠依靠其材料特性減少工作環(huán)境所產(chǎn)生的磨損，延長其使用壽命，減少日常維護費用。碳纖維傳動軸的研究迄今已經(jīng)有30多年的歷史，但是其應用僅限于部分車型之上。在目前的汽車行業(yè)生產(chǎn)過程中，限制其應用范圍進一步提升的因素主要是碳纖維傳動軸對于成型工藝要求比較高，對自動化生產(chǎn)的控制能力要求較高，因而其生產(chǎn)成本有待于隨著自動化生產(chǎn)水平的提高而逐步降低，從而能夠在更大范圍內(nèi)推廣應用。

2.6碳纖維材料在輪轂上的應用

碳纖維材料在輪轂上的應用是近些年碳纖維應用于汽車輕量化研究的重要方向之一，通過相關測試證明，采用碳纖維材料制成的輪轂不僅可以達到輕量化的目的，而且其擁有比金屬材質(zhì)更好的耐沖擊能力，還能夠在更高水平上發(fā)揮輪胎的性能，使車輛的整體性能提升到較高的層次。目前限制碳纖維材料在輪轂上應用水平無法提升的主要原因是其對生產(chǎn)工藝的要求比較高，由此造成其生產(chǎn)成本遠超出目前汽車行業(yè)的所能達到的水平。

3 碳纖維復合材料在汽車產(chǎn)業(yè)中的應用歷史和發(fā)展前景

3.1碳纖維復合材料在汽車產(chǎn)業(yè)中的應用歷史

碳纖維材料最早起源與20世紀60年代的日本，隨后在美國相關研究機構(gòu)和企業(yè)的推動下取得了快速的發(fā)展。目前日本和美國已經(jīng)完全占據(jù)了世界大部分的高性能碳纖維市場，我國在這方面的技術(shù)研究起步較早，但是整體發(fā)展速度已經(jīng)嚴重落后于日本和美國，近些年來隨著國家有關部門的推動和企業(yè)不斷加大投入力度，也取得了一定的進展，未來還需要加大努力，盡量縮短在這方面的差距。碳纖維材料在汽車輕量化上研究最初起源于20世紀70年代末期，隨著相關技術(shù)的研究不斷深入，目前美國、日本和德國等汽車生產(chǎn)大國在這方面都已經(jīng)形成了自身獨特的生產(chǎn)優(yōu)勢[2]。近些年來，我國汽車行業(yè)在這方面的投入力度不斷加大，已經(jīng)有多家企業(yè)投入到碳纖維材料的汽車零部件研發(fā)和生產(chǎn)中，為促進我國汽車輕量化研究水平的提高做出了重大貢獻，而在碳纖維新能源汽車的生產(chǎn)方面，也有數(shù)家汽車生產(chǎn)廠商研發(fā)出了不同類型的新產(chǎn)品，但是受制于材料進口等方面的影響，距離實際量產(chǎn)還有較大的距離。

3.2碳纖維復合材料在汽車產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展前景

由于碳纖維自身結(jié)構(gòu)的不同，因而不同類型的產(chǎn)品之間在性能上還存在較大的差異，在傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)鏈已經(jīng)完全成熟的情況下，碳纖維材料在汽車輕量化中所能發(fā)揮的空間極其有限，尤其是在碳纖維自身生產(chǎn)技術(shù)還有待提高的情況下，其生產(chǎn)成本也成為汽車零部件量產(chǎn)的最大阻礙因素之一[3]。因此在進行碳纖維汽車材料的研發(fā)過程中，相關的研究機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)都將重心集中在新能源汽車的應用上，由于新能源汽車的能源結(jié)構(gòu)對于汽車輕量化要求的水平更高，并且其市場空間將會進一步擴大，因此實現(xiàn)碳纖維材料在包括車身結(jié)構(gòu)在內(nèi)的諸多零部件上的規(guī)模應用具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

4 結(jié)語

隨著新能源汽車在未來汽車市場的發(fā)展趨勢越來越明顯，碳纖維材料應有的優(yōu)勢也將更加突出，因此其在未來的汽車行業(yè)發(fā)展中具有廣闊的市場空間。但是就我國目前碳纖維生產(chǎn)技術(shù)而言，與美國和日本等發(fā)達國家之間還有較大的差距。為了更好的達到新能源汽車規(guī)?；a(chǎn)和降低能源消耗的目標，還需要相關從業(yè)者不斷極大投入力度，促進我國碳纖維生產(chǎn)行業(yè)水平的進一步提高，為汽車行業(yè)和相關行業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻。

參考文獻

[1]童喆益，施靜，趙鑫.碳纖維復合材料在汽車改裝領域的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2019（18）：195-196.

[2]羅益鋒.處于戰(zhàn)略機遇期的全球碳纖維及其復合材料產(chǎn)業(yè)[J].高科技纖維與應用，2019，44（02）：1-20.

[3]李春曉.碳纖維及其復合材料在汽車領域的應用[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2019（01）：5-7.