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碳纤维复合材料为何受高端车型的宠爱?

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发表于 2017-7-7 15:05:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
因为碳纤维复合材料对减轻汽车重量、提高车身强度、降低燃油消耗都起到了非常好的作用,所以一直受高端车型所宠爱。但因其制造成本过高,所以暂未能普及所有车型。那么碳纤维到底有哪些优点呢?在汽车行业又有哪些应用呢?
一、碳纤维复合材料在汽车上应用的四大优点1. 轻量化碳纤维复合材料具有其他材料不可比拟的比强度和比模量,密度只有1.6g/cm左右,远低于钢铁和铝,将其应用于车身及其它零部件的设计可降低整车质量的35%左右,降低燃油消耗。如大众新推出的采用碳纤维复合材料车身和零部件的XL1车型总质量只有795kg,结合混动技术,百公里油耗仅0.9升。表 碳纤维复合材料与其他材料的性能对比材料种类密度/(g/cm^3)拉伸强度/Mpa弹性模量/Mpa比强度/m比模量/km高强度钢7.810002140001.30.27铝合金2.8420710001.50.25镁合金1.79280450001.60.25钛合金4.59421120002.10.25碳纤维复合材料2.01100400005.50.2碳纤维复合材料高强度型1.514001300009.30.87高模量型1.611001900006.21.2 2. 耐久性碳纤维复合材料主要由碳纤维丝束和树脂材料组成,碳元素化学性质稳定,无需进行表面防腐处理,其耐候性及耐老化性极好,寿命一般为钢材的2-3倍。采用CFRP材料生产的功能性零部件的疲劳强度也远高于钢材。
3. 安全性碳纤维复合材料的抗拉强度一般都3500Mpa以上,是普通钢材的5倍,由碳纤维材料制作的驾驶舱在碰撞中变形极小,可有效保护驾乘者的生存空间。经特殊编织的碰撞吸能结构在高速碰撞中碎裂为较小的碎片,吸收大量撞击能量(能量吸收性为一般钢材的3倍以上),能有效提高车辆被动安全。
cf3b3818a358875b2542fb216e162e8b.png 图 碳纤维复合材料与其他材料的能量吸收率对比
d0daf36a23c78d4f4825d46ce6dd5a72.jpg 图 碳纤维汽车碰撞试验
4. 美观性表面只喷涂一层清漆,可以清晰的看见内部的碳纤维丝束经纬或者斜线交叉排列,显得致密规整。将碳纤维复合材质应用到车尾扰流板,后视镜,车顶,仪表板,副仪表板,门芯板和方向盘等可视化较高的零部件上,营造出车辆科技运动的视觉效果。
二、碳纤维复合材料在汽车六个方面的应用目前,碳纤维复合材料在汽车车体和零部件中都得到了广泛应用。如:汽车车身、内外饰、底盘系统、动力系统等等。下图为碳纤维复合材料(CFPR)在汽车零部件中的应用情况:
2506983f19eea2487b8d2645dfbf7385.jpg 图 碳纤维复合材料在汽车零部件中的应用情况
1. 碳纤维在汽车车身中的应用碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度,是制造汽车车身的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身减轻质量40%~60%,相当于钢结构质量的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,而钢制车身质量为368kg,减重约50%。目前赛车和部分改装车大多选用碳纤维复合材料车身,在降低重量的同时,因复合材料碰撞时减少了碎片的产生,从而提高了安全性。应用实例:宝马i3碳纤维座舱减重50%通用超轻概念车采用碳纤维车身和底盘减重68%斯巴鲁WRX STItS采用CFRP车顶,相比钢板减重80%
73d5079a40a2cb9d3d1d9d0bfadec376.jpg 图 斯巴鲁 WRX STI
2. 碳纤维在汽车轮毂中的应用作为保证汽车行驶安全的重要部件之一,轮毂不仅要承受整车重量和载重,还要传递驱动和扭矩。这对汽车轮毂的质量要求极高。汽车轮毂要具有较高的强度和抗冲击性,较好的耐热和导热性以及较好的耐久性和安全性。碳纤维复合材料具有优异的力学性能、耐热性和耐久性,可替代金属作为轮毂材料。同时,碳纤维材料的使用使得轮毂质量得到降低,有助于减少车轮转动惯量,使车辆拥有更快的启动、停止以及转向速度。应用实例:福特新一代野马Shelby GT350R配备了碳纤维轮毂。其重量仅为8.6kg,而一般铝合金轮毂重量要达到15kg。瑞典柯尼赛格的Agera车型整个轮毂上除了轮胎气门嘴,其余部件均为碳纤维打造。在降低约20kg的簧下质量的同时,还保证了坚固和安全。

cfbc92db116f161cbf8b88d7bba35bc5.jpg 图 碳纤维轮毂
3. 碳纤维在刹车系统中的应用汽车制动器衬片主要使用石棉材料,制动时易摩擦产生高温,出现性能的热衰退,而产生的石棉粉尘有致癌危害。碳纤维复合材料的比强度高、耐磨性好、耐热性好,应用在汽车刹车片上,可作为石棉的替代品。碳纤维制动盘可以在50m内将车速由300KM/h降到50Km/h。碳纤维制动盘可承受2500℃的高温,且性能稳定。应用实例:Porsche AG等车采用碳纤维制动盘,能在50m内将车速从300km/h降到50km/h。
b912e2701ecfbc8e21157a20bbecdcaa.jpg 图 碳纤维刹车盘
4. 碳纤维在内外饰中的应用碳纤维复合材料具有较好的强度、韧性、耐热性和耐老化性,可改善传统塑料制品脆性高、耐久性不好的缺点,作为汽车内饰材料使用。碳纤维复合材料还具有较高的强度和刚性、较好的抗冲击性,可作为金属材料的替代品运用于汽车外饰构件。同时,碳纤维复合材料具有较好的吸振效果,对撞击有较大的缓冲作用,且减少撞击碎片的产生,提高了安全性。此外,碳纤维内外饰材料的使用,除了达到汽车轻量化效果,还简化了零件制造工艺,降低了零件加工、装配、维修费用,降低生产成本。应用实例:宝马M4配备了碳纤维质地的前后保险杠。改装版奔驰G50在外部套件、内外饰等多处使用碳纤维复合材料,在减重的同时动力也得到升级。
599c68e1280b47752face911928109d3.jpg 图 碳纤维内饰

5. 碳纤维在传动轴中的应用汽车传动轴的受力情况比较复杂,尤其要承受很大的扭矩,对材料性能要求较高。碳纤维增强复合材料具有各向异性、比强度高和比模量相对较低的特点,替代金属材料作为传动轴可较好的满足使用需求。碳纤维传动轴不仅可减轻重量60%,而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。应用实例:丰田86碳纤维传动轴仅5.53kg,减重50%。兰博基尼第六元素概念车使用碳纤维活塞连杆取代钢制连接件,重量减轻40%-50%。
4ec6cadaa2ffa79c989765cd182bbf09.jpg 图 碳纤维传动轴
6. 碳纤维在进气系统中的应用碳纤维复合材料作为汽车进气系统材料,一方面可减轻重量,达到轻量化的效果;另一方面,碳纤维材料易加工成各种曲面形状,且表面较为光滑,可有效提高进气效率。应用实例:福特FalconXR6 Sprint轿车采用100%碳纤维制造的进气系统。碳纤维进气管重235克,而塑料进气管则为438克。宝马E82 135i配备的碳纤维高流量进气系统,使用高规格制程的双面碳纤维风箱与管路,可有效隔绝热源,提供了更稳定的冷空气来源,提升燃烧效率,释放高转速马力。
f95e39ae6b2b1730cf12448219ef8ff1.jpg 图 碳纤维进气歧管
三、碳纤维将对汽车行业带来革命性改变碳纤维复合材料在汽车轻量化上的应用潜力巨大,拥有其他材料不可比拟的密度、比强度、比模量等全方位力学性能,成本、制造工艺及技术等主要瓶颈不断实现突破下,未来碳纤维复合材料将在汽车产业迎来飞速发展。尤其是新能源汽车将成为碳纤维应用突破,未来五年碳纤维在汽车工业将迎来巨大的市场需求。
62c37fd19f6ecbd0e2cd8863769b2178.jpg 图 对车用碳纤维市场的预测分析(来自:赛奥碳纤维)碳纤维在汽车领域的应用比例将持续增长,其材料的特殊性必将对未来汽车行业带来革命性的改变。
生产过程:采用一体成型技术,新材料高度集成设计,减少零部件数量和模具数量,减少零部件连接等工序,缩短生产周期。特殊的成型工艺及连接工艺取代传统汽车制造的冲压、焊装工艺;
售后维修:“剪切式”维修,维修过程中将破损部件换上一个新的总成即可完成修复,避免了传统车辆维修中的“钣金”工艺;
整车结构:整车模块化程度更高。由目前的乘员舱模块向其它部件扩散,减少整车组成;
外观油漆:碳纤维特殊的外观颜色,对传统的油漆产业也会造成冲击,未来会针对碳纤维材料设计一系列新的油漆。 文章素材来自中国汽车材料网 作者:付正婷  图片素材来自互联网,艾邦高分子张先栋编辑 #标签#碳纤维,复合材料,汽车#请长按二维码添加微信abgfz-zero申请艾邦碳纤维交流群,验证时备注您的“公司+主营”。

741bd081d920bdb1cfbd34aee23172e4.png 推荐阅读:车用碳纤维复合材料基本介绍
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