碳纤维材料在汽车上的应用及发展趋势探讨
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摘 要 新时期环境下，汽车在人们的生活中扮演着重要的角色，这也推动了汽车行业迅速发展，同时现阶段汽车工业也是国家支柱产业类型。在汽车的发展中，轻量化逐渐成为了其发展的目标之一，而碳纤维材料具有着显著的性能，在汽车中的运用就具有很大的运用前景，本文就针对碳纤维材料在汽车上的应用及发展趋势进行探讨，对碳纤维材料的使用进行深入的了解。
关键词 碳纤维材料 汽车行业 发展趋势
中图分类号：TQ327.3 文献标识码：A
0前言
随着人们生活水平的提升，汽车逐渐进入到了普通家庭，2019年我国上半年的机汽车保有量就达到了2.5亿辆，巨大的保有量带来了能耗和生态环境等问题。汽车行业要想实现长远发展，需要其做好对能源消耗的控制以及生态环境的保护。而碳纤维作为一种纤维状碳素材料类型，力学性能十分优异，质量密度相对于现有的金属材料也有很大的优势，对汽车材料重量及能耗实现了有效节省，这就需要汽车行业认识到其材料的价值，积极进行汽车上的应用，这对汽车行业可持续性发展具有重要的意义。
1碳纤维材料概述
对于碳纤维来说，它是微晶石墨的材料类型，此材料是通过有机纤维实施石墨化以及碳化的处理后获取，此材料含碳量占到无机性高分子的纤维90%的比例。根据微观方面分析，这种材料的结构和人造的石墨结构较为类似，呈现乱层石墨的结构类型。碳纤维是一种新型的增强型的纤维，不仅具备碳材料特性，还具备纺织纤维可塑性以及柔软性特点。通过把碳纤维和玻璃纤维以及凯芙拉的纤维实施对比，发现碳纤维杨氏的模量超过3倍玻璃纤维杨氏的模量，且约是2倍凯芙拉的纤维杨氏模量，还具有显著耐腐蚀的性能。
2碳纤维材料在汽车上的应用优势
碳纤维的材料具有着诸多的优势，主要包括较好减重效果、高安全性、强度和硬度大、节能效果好等。在减重效果方面，碳纤维具有质量轻特点，汽车钢铁的材料占到车体3/4的质量，而碳纤维的使用仅约是钢铁重量的20%，因此汽车通过碳纤维的材料使用，就能够实现汽车的轻量化生产，通过碳纤维的复合材料能够达到超过60%的减重效果。在安全性方面，此材料碰撞中所具备对能量吸收的能力要比钢高5倍，主要是因为碳纤维呈尖塔状且溃缩柱是无数个粗壮碳纤维而构成的，结构十分坚固，在材料和工艺合理设计后，当发生正面的碰撞时，会破碎成很多细小型碎片，对大量碰撞能量进行吸收，实现对汽车安全性的提升。在硬度和强度方面，碳纤维的强度超过20倍铁的强度，且硬度超过10倍钢材的硬度。在节能效果方面，同一车型，碳纤维的材料生产的汽车和钢结构的汽车比较，同样体积燃油要比钢结构的汽车行驶里程多出50km，实现了对燃油效率的提升。
3碳纤维材料在汽车上的应用
3.1车身与底盘
因为碳纤维的材料具有很好的强度和硬度，因此在汽车的车身与底盘等结构件的制作中比较适合使用。通过碳纤维的复合材料使用，能够实现汽车的车身以及底盘的重量减轻1倍以上，其中通用的超轻概念汽车就使用碳纤维的车身与底盘，实现了68%的减重。同时碳纤维制作的引擎盖以及碳纤维的复材车顶，还能够对汽车驾驶的性能进行提升。比如，在宝马M3的双门轿跑中，其就使用了碳纤维的车顶，比普通型汽车减轻5kg重量，不仅减轻了其自重，还大幅实现对车辆重心的降低，进而提高汽车动态的稳定性;且斯巴鲁的WRX STItS通过碳纤维复合材料进行车顶的制作，和钢板相比实现80%的减重。由于现阶段汽车碳纤维材料的量产成本太高，這也影响其普及程度，只是在一些赛车和高级轿车等车型中进行使用。
3.2轮毂
在碳纤维的轮毂中，主要对外环通过碳纤维的材质制作，而其内毂则是轻量型合金，并和不锈钢类型螺丝搭配而成，其比同样尺码轮毂的质量约轻40%，同时轮毂通过碳纤维的材料使用，还能够最大限度实现对车轮径向的惯性力降低。英国的Kahm公司就通过碳纤维复合材料进行RX-X型的高级型轿车专用的车轮制作，其重量仅6kg，能够高速的行驶同时，还能够对车轮径向的惯性力进行降低。
3.3刹车片
碳纤维的材料有着环保性和高温度的耐磨性等特点，其在汽车的刹车片上使用，能够有效的提高刹车片的有效性。往往在汽车的制动中，由于存在过多刹车的情况，刹车片因为吸收了大量热能会变得很红，也常见一些汽车由于长时间的制动而导致刹车片高温情况，进而造成轮胎的着火情况。通过特殊工艺将碳纤维加入到刹车片的制作中，则制动盘往往能够对高温2500℃实现承受效果，且制动的稳定性也十分优秀。
3.4后座椅的骨架
在传统汽车进行后座的椅骨架制作中，一般都是通过钢制成的，使用碳纤维的复合材料对传统钢材料实施代替，就能够对汽车座椅的质量实现有效的减轻，实现座椅的轻量化，从而达到减重的效果。在对碳纤维的后座椅塑料成型处理中，因为碳纤维的材料呈现的主要方式为短纤维，和碳纤维的复合材料比较，发现这种短纤维结构的强度比较低，所以通过碳纤维的复合材料进行产品的制作，能够有效提升后座椅的骨架耐受冲击性、高疲劳、高强度和耐腐蚀性等性能。
3.5汽车内饰
在碳纤维的材料使用中，不仅仅用在车身方面，对一些汽车内饰也比较适用。通过碳纤维的材料能够对金属内饰材料进行代替，比如把皮子、铝以及碳纤维的材料用在车厢的各个位置，就能够形成典雅以及运动特性。同时根据此材料具有良好的安全性、装饰性和轻量化等优点，在汽车仪表板的表面材料中也逐渐得到了使用。
3.6燃料贮罐
通过碳纤维的材料在燃料贮罐中的使用，能够达到压力容器轻量化的效果。近年来，环保汽车受到的广泛关注和开发，将氢当作燃料的电池类型汽车也逐渐通过碳纤维的材料进行燃料贮罐的制作，美国福特的氢燃料汽车就使用了这种材料制作燃料储罐。
3.7耐热隔音的部件
聚丙烯腈的预氧化丝主要是通过丙烯腈系的纤维进行碳纤维的制造中所产生中间的产品，此纤维碳化的比例超过了50%，除了重量轻之外，还有着很好耐燃、耐热的性能，在高温下能够长期的使用，且还具有优良绝热的性能，因此其在汽车耐热隔音的部件上逐渐得到了应用。比如，通过混有一定聚丙烯腈的预氧化纤维非织的造布面料当作引擎盖的隔音、隔热垫以及引擎舱和驾驶舱间隔音、隔热垫的表面材料等。另外，在汽车进气的系统中，通过碳纤维的使用，自空气的滤清器至进气导管都通过纯碳纤维的材质进行圆柱状的集气筒制造，由于其具有量轻和隔热等特点，则进气温度就不会受到引擎室的高温而影响。
4碳纤维材料在汽车上的发展趋势
尽管碳纤维具有着显著的特点，但其在汽车的运用中还存在一定的局限性，如抗穿刺的能力比较差、价格成本高、损坏后不能修复等，要实现此材料的更好运用，需要对其性能缺陷进行解决。在国外各大的汽车厂家中，逐渐都重视对碳纤维的复合材料进行开发，进而进行节能环保以及安全性的汽车制作，而随着研究的不断深入，在未来的纤维产品发展中将趋向于高性能，同时通过碳纤维的复合材料使用，对汽车零部件的成本进行不断的降低，从而实现碳纤维的复合材料对金属材料的完全替代。为了实现轻量化，我国庞大的汽车市场对碳纤维相关材料的使用有着巨大潜力和价值。
5结语
综上所述，碳纤维的材料具有着显著的特点，其在汽车制造中的使用有效的提升了汽车性能，但在实际的运用中仍然还存在一定的局限性，因此，汽车行业一定要认识到碳纤维材料的使用价值和发展前景，积极对此材料进行开发和研究，这也是汽车行业发展中需要重视的领域之一。
参考文献
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