汽车轻量化中碳纤维的应用分析

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　　摘要：汽车轻量化是汽车行业研发和生产过程中的重点问题，随着相关技术的发展，文章通过对汽车轻量化中碳纤维应用的优势进行分析，简略探讨碳纤维在汽车轻量化中的应用方面以及应用过程中存在的问题，并对其应用前景进行展望，以期提高相关技术的应用水平。
　　关键词：碳纤维;汽车;汽车轻量化
　　中图分类号：TQ342+.742 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）12-0104-03
　　在汽车行业的发展过程中，汽车轻量化对能耗降低所起到的作用已经成为行业从业人员的共识。具有相关研究发现，采用必要的轻量化措施，不仅能夠直接降低油耗，还能够有效提升车辆的动力性能、提升车辆制动效果，改善车辆的操作性能，为驾乘人员提供更加舒适的服务。实现汽车的轻量化，可以从材料、结构和制造技术等多个方面入手，在材料应用方面，碳纤维复合材料的应用，是具有光明前景的发展方向。
　　1 碳纤维材料的优点及不足之处
　　1.1碳纤维及其制成品的优点
　　碳纤维材料在军工行业、航天工业和民用工业中都有着广泛的应用空间，由于碳纤维结构的不同，又可以将其分为不同类型，受制于生产技术和生产成本的影响，应用范围最为广泛的碳纤维材料是PAN（聚丙烯腈）基碳纤维。在PAN基碳纤维中，小丝束碳纤维属于“航天级”碳纤维，而大丝束碳纤维则被称为“工业级”碳纤维。就整体上而言，碳纤维及其制成品在应用于汽车产业时，主要有3个方面的优势：①应用于车架结构时能够直接降低车身重量，并且具有汽车安全行驶时所需要的刚性。②避震结构的作用下能够减缓车身运动中的震动，提升驾乘感。③碳纤维车架的刚性大，耐久性好，能够抵抗外界恶劣环境的影响，并且具有较强的抗腐蚀性能。四是碳纤维材料具有高拉伸强度，加工成型工艺简单，能够适用于汽车生产的多个零部件中。由于碳纤维材料所具有的这些优势，使其在汽车产业的发展中必将占有重要的位置。
　　1.2碳纤维材料在汽车行业应用的不足之处
　　虽然碳纤维材料及其制成品在应用于汽车行业中具有多方面的优势，但是还有诸多方面的限制因素，使得在目前汽车行业的生产过程中，碳纤维材料无法实现规模化应用，这些限制条件主要包括以下4个方面：①碳纤维材料及其制成品容易出现老化，并且在损毁之后无法进行修复，只能对损毁的零部件进行整体更换。②其加工工艺精度较高，前期处理过程比较复杂，所产生的成本较高，在一定程度上抵消了其所带来的能耗节省。③碳纤维的可回收性比较差，在目前的回收利用技术条件下，无法进行再次利用或者环保化处理。④碳纤维行业发展不均衡，PAN基碳纤维产量占到总产量的90%以上[1]。由于这些方面的原因使得碳纤维材料目前还只是在赛车和部分高端车型的部分零部件生产中得以应用，并取得了良好的效果，但是在普通车型的应用上目前整体上还处于较低的水平，无法充分发挥其固有的优势。
　　2 碳纤维在汽车产业中的应用
　　碳纤维材料在工业生产中的应用已有多年的历史，并不属于新型材料，但是限制于目前各方面技术的限制，在汽车产业中的应用还只是局限于部分车型的零部件中，只能在一定程度上对相关产业的发展起到推动作用。
　　2.1碳纤维材料在汽车车身上的应用
　　目前碳纤维材料在汽车车身上的应用大多是在跑车车型上应用，而在日常消费级别的乘用车上，最为知名的是宝马公司型号为i3的新能源汽车，此外，我国苏州某汽车公司生产纯电动跑车车身也是基于碳纤维材料打造而成。在目前汽车行业的发展过程中，碳纤维车身的研究水平已经达到较高的程度，并且开始应用于多款汽车的生产之中。基于碳纤维复合材料的汽车车身在车身刚度和防撞击性能上都优于钢材料和铝合金材料的车身，并且在生产成本和环保性能上也优于其他两种材料。但是整体而言，碳纤维材料自身生产规模还比较小，规模成本效益并不是太明显，无法满足汽车行业规模生产的需要。但是在未来的发展过程中，随着碳纤维材料自身研发水平的不断提高，其在汽车车身上的应用比例必将不断提升，在没有其他新型材料能够起到替代作用的情况下，碳纤维材料将成为汽车车身的首选材料。
　　2.2碳纤维材料在制动器衬片上的应用
　　目前汽车制动器根据其材质的不同，可以分为几个档次，最为传统的材质是石棉材料，由于其具有较大的环境污染，并且在连续使用过程中性能会出现下降的情况，在国际市场上已经被禁止生产和使用，但是在我国的货车和工程车市场上，还存在一定的市场空间。限制于生产成本等因素的影响，目前普通车型上采用的制动器材料多数半金属刹车片，这种材料的刹车片价格比较低廉，但是耐热性较差，在使用过程中会产生有毒气体。较为高档的制动器材料则是新型陶瓷石墨材料，在经济因素和性能因素的影响下，未来这类材料的市场空间将会不断扩大。性能最好的制动器材料就是碳纤维制动器，但是由于其制造成本较高，并且刹车盘和刹车片要同时采用碳纤维材料制成，所以目前其使用范围只是局限在赛车生产上，国外某些公司已经研制出基于碳纤维和陶瓷材料共同作用的制动器，使其生产成本逐步下降，在未来有利于进一步拓展其应用空间。
　　2.3碳纤维材料在燃料储存结构上的应用
　　由于碳纤维材料本身所具有的强度高、耐腐蚀性强等方面的特征，使其在应用新能源汽车，尤其是电动汽车的燃料储存结构时，具有独特的优势。将碳纤维材料与其他类型的新型复合材料相结合，用以构成蓄电池的主要组成结构，已经在诸多车型上得以应用，并取得了较为良好的效果。
　　2.4碳纤维材料在加热坐垫上的应用
　　由于碳纤维材料具有良好的导热性能，并且其电热效率比可以达到90%以上，所以在加热坐垫的应用上已经达到了较高的水平。碳纤维加热坐垫对材料的质地要求不高，目前国产碳纤维材料已经能够满足这方面的要求，并且其使用比较方便，在实际使用过程中可以消费者可以通过自行购买材料进行改装，因此其具有较为广阔的市场发展空间。但是由于这方面的应用对技术水平要求不高，在市场发展过程中已经受到了智能合金丝材料的挑战，在未来的市场发展过程中，两种材料将会在技术水平等方面出现激烈竞争的局面。 　　2.5碳纤维材料在传动轴上的应用
　　传动轴是汽车构造中重要的运动构件，由于车身结构设计的特点，使得金属件的传动轴的工作环境较为恶劣，在使用过程中需要定期进行润滑油保养，并且要做好定期检查工作以确保其工作性能保持稳定。在采用碳纤维作为传动轴的生产材料的情况下，不仅能够通过汽车轻量化达到节约能源的目的，还能够依靠其材料特性减少工作环境所产生的磨损，延长其使用寿命，减少日常维护费用。碳纤维传动轴的研究迄今已经有30多年的历史，但是其应用仅限于部分车型之上。在目前的汽车行业生产过程中，限制其应用范围进一步提升的因素主要是碳纤维传动轴对于成型工艺要求比较高，对自动化生产的控制能力要求较高，因而其生产成本有待于随着自动化生产水平的提高而逐步降低，从而能够在更大范围内推广应用。
　　2.6碳纤维材料在轮毂上的应用
　　碳纤维材料在轮毂上的应用是近些年碳纤维应用于汽车轻量化研究的重要方向之一，通过相关测试证明，采用碳纤维材料制成的轮毂不仅可以达到轻量化的目的，而且其拥有比金属材质更好的耐冲击能力，还能够在更高水平上发挥轮胎的性能，使车辆的整体性能提升到较高的层次。目前限制碳纤维材料在轮毂上应用水平无法提升的主要原因是其对生产工艺的要求比较高，由此造成其生产成本远超出目前汽车行业的所能达到的水平。
　　3 碳纤维复合材料在汽车产业中的应用历史和发展前景
　　3.1碳纤维复合材料在汽车产业中的应用历史
　　碳纤维材料最早起源与20世纪60年代的日本，随后在美国相关研究机构和企业的推动下取得了快速的发展。目前日本和美国已经完全占据了世界大部分的高性能碳纤维市场，我国在这方面的技术研究起步较早，但是整体发展速度已经严重落后于日本和美国，近些年来随着国家有关部门的推动和企业不断加大投入力度，也取得了一定的进展，未来还需要加大努力，尽量缩短在这方面的差距。碳纤维材料在汽车轻量化上研究最初起源于20世纪70年代末期，随着相关技术的研究不断深入，目前美国、日本和德国等汽车生产大国在这方面都已经形成了自身独特的生产优势[2]。近些年来，我国汽车行业在这方面的投入力度不断加大，已经有多家企业投入到碳纤维材料的汽车零部件研发和生产中，为促进我国汽车轻量化研究水平的提高做出了重大贡献，而在碳纤维新能源汽车的生产方面，也有数家汽车生产厂商研发出了不同类型的新产品，但是受制于材料进口等方面的影响，距离实际量产还有较大的距离。
　　3.2碳纤维复合材料在汽车产业中的发展前景
　　由于碳纤维自身结构的不同，因而不同类型的产品之间在性能上还存在较大的差异，在传统汽车产业生产链已经完全成熟的情况下，碳纤维材料在汽车轻量化中所能发挥的空间极其有限，尤其是在碳纤维自身生产技术还有待提高的情况下，其生产成本也成为汽车零部件量产的最大阻碍因素之一[3]。因此在进行碳纤维汽车材料的研发过程中，相关的研究机构和生产企业都将重心集中在新能源汽车的应用上，由于新能源汽车的能源结构对于汽车轻量化要求的水平更高，并且其市场空间将会进一步扩大，因此实现碳纤维材料在包括车身结构在内的诸多零部件上的規模应用具有巨大的经济效益和社会效益。
　　4 结语
　　随着新能源汽车在未来汽车市场的发展趋势越来越明显，碳纤维材料应有的优势也将更加突出，因此其在未来的汽车行业发展中具有广阔的市场空间。但是就我国目前碳纤维生产技术而言，与美国和日本等发达国家之间还有较大的差距。为了更好的达到新能源汽车规模化生产和降低能源消耗的目标，还需要相关从业者不断极大投入力度，促进我国碳纤维生产行业水平的进一步提高，为汽车行业和相关行业的发展做出更大的贡献。
　　参考文献
　　[1]童喆益，施静，赵鑫.碳纤维复合材料在汽车改装领域的应用[J].科技创新与应用，2019（18）：195-196.
　　[2]罗益锋.处于战略机遇期的全球碳纤维及其复合材料产业[J].高科技纤维与应用，2019，44（02）：1-20.
　　[3]李春晓.碳纤维及其复合材料在汽车领域的应用[J].新材料产业，2019（01）：5-7.
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