碳纖維復(fù)合材料為何受高端車型的寵愛(ài)？

因為碳纖維復(fù)合材料對(duì)減輕汽車重量、提高車身強(qiáng)度、降低燃油消耗都起到了非常好的作用，所以一直受高端車型所寵愛(ài)。但因其制造成本過(guò)高，所以暫未能普及所有車型。那么碳纖維到底有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？在汽車行業(yè)又有哪些應(yīng)用呢？

一、碳纖維復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用的四大優(yōu)點(diǎn)

1. 輕量化

碳纖維復(fù)合材料具有其他材料不可比擬的比強(qiáng)度和比模量，密度只有1.6g/cm3左右，遠(yuǎn)低于鋼鐵和鋁，將其應(yīng)用于車身及其它零部件的設(shè)計(jì)可降低整車質(zhì)量的35%左右，降低燃油消耗。

如大眾新推出的采用碳纖維復(fù)合材料車身和零部件的XL1車型總質(zhì)量只有795kg，結(jié)合混動(dòng)技術(shù)，百公里油耗僅0.9升。

表 碳纖維復(fù)合材料與其他材料的性能對(duì)比

2. 耐久性

碳纖維復(fù)合材料主要由碳纖維絲束和樹(shù)脂材料組成，碳元素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)需進(jìn)行表面防腐處理，其耐候性及耐老化性極好，壽命一般為鋼材的2-3倍。采用CFRP材料生產(chǎn)的功能性零部件的疲勞強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于鋼材。

3. 安全性

碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度一般都3500Mpa以上，是普通鋼材的5倍，由碳纖維材料制作的駕駛艙在碰撞中變形極小，可有效保護(hù)駕乘者的生存空間。經(jīng)特殊編織的碰撞吸能結(jié)構(gòu)在高速碰撞中碎裂為較小的碎片，吸收大量撞擊能量（能量吸收性為一般鋼材的3倍以上），能有效提高車輛被動(dòng)安全。

圖 碳纖維復(fù)合材料與其他材料的能量吸收率對(duì)比

圖 碳纖維汽車碰撞試驗(yàn)

4. 美觀性

表面只噴涂一層清漆，可以清晰的看見(jiàn)內(nèi)部的碳纖維絲束經(jīng)緯或者斜線交叉排列，顯得致密規(guī)整。將碳纖維復(fù)合材質(zhì)應(yīng)用到車尾擾流板，后視鏡，車頂，儀表板，副儀表板，門(mén)芯板和方向盤(pán)等可視化較高的零部件上，營(yíng)造出車輛科技運(yùn)動(dòng)的視覺(jué)效果。

二、碳纖維復(fù)合材料在汽車六個(gè)方面的應(yīng)用

目前，碳纖維復(fù)合材料在汽車車體和零部件中都得到了廣泛應(yīng)用。如：汽車車身、內(nèi)外飾、底盤(pán)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等等。下圖為碳纖維復(fù)合材料（CFPR）在汽車零部件中的應(yīng)用情況：

圖 碳纖維復(fù)合材料在汽車零部件中的應(yīng)用情況

1. 碳纖維在汽車車身中的應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料有足夠的強(qiáng)度和剛度，是制造汽車車身的最輕材料。預(yù)計(jì)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車車身減輕質(zhì)量40%～60%，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/3～1/6。英國(guó)材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室曾對(duì)碳纖維復(fù)合材料減重效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明，碳纖維增強(qiáng)聚合物材料車身重172kg，而鋼制車身質(zhì)量為368kg，減重約50%。目前賽車和部分改裝車大多選用碳纖維復(fù)合材料車身，在降低重量的同時(shí)，因復(fù)合材料碰撞時(shí)減少了碎片的產(chǎn)生，從而提高了安全性。

應(yīng)用實(shí)例：

• 寶馬i3碳纖維座艙減重50%

• 通用超輕概念車采用碳纖維車身和底盤(pán)減重68%

• 斯巴魯WRX STItS采用CFRP車頂，相比鋼板減重80%

圖 斯巴魯 WRX STI

2. 碳纖維在汽車輪轂中的應(yīng)用

作為保證汽車行駛安全的重要部件之一，輪轂不僅要承受整車重量和載重，還要傳遞驅(qū)動(dòng)和扭矩。這對(duì)汽車輪轂的質(zhì)量要求極高。汽車輪轂要具有較高的強(qiáng)度和抗沖擊性，較好的耐熱和導(dǎo)熱性以及較好的耐久性和安全性。碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐熱性和耐久性，可替代金屬作為輪轂材料。同時(shí)，碳纖維材料的使用使得輪轂質(zhì)量得到降低，有助于減少車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使車輛擁有更快的啟動(dòng)、停止以及轉(zhuǎn)向速度。

應(yīng)用實(shí)例：

• 福特新一代野馬Shelby GT350R配備了碳纖維輪轂。其重量?jī)H為8.6kg，而一般鋁合金輪轂重量要達(dá)到15kg。

• 瑞典柯尼賽格的Agera車型整個(gè)輪轂上除了輪胎氣門(mén)嘴，其余部件均為碳纖維打造。在降低約20kg的簧下質(zhì)量的同時(shí)，還保證了堅(jiān)固和安全。
  

圖 碳纖維輪轂

3. 碳纖維在剎車系統(tǒng)中的應(yīng)用

汽車制動(dòng)器襯片主要使用石棉材料，制動(dòng)時(shí)易摩擦產(chǎn)生高溫，出現(xiàn)性能的熱衰退，而產(chǎn)生的石棉粉塵有致癌危害。碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度高、耐磨性好、耐熱性好，應(yīng)用在汽車剎車片上，可作為石棉的替代品。碳纖維制動(dòng)盤(pán)可以在50m內(nèi)將車速由300KM/h降到50Km/h。碳纖維制動(dòng)盤(pán)可承受2500℃的高溫，且性能穩(wěn)定。

應(yīng)用實(shí)例：

Porsche AG等車采用碳纖維制動(dòng)盤(pán)，能在50m內(nèi)將車速?gòu)?00km/h降到50km/h。

圖 碳纖維剎車盤(pán)

4. 碳纖維在內(nèi)外飾中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料具有較好的強(qiáng)度、韌性、耐熱性和耐老化性，可改善傳統(tǒng)塑料制品脆性高、耐久性不好的缺點(diǎn)，作為汽車內(nèi)飾材料使用。碳纖維復(fù)合材料還具有較高的強(qiáng)度和剛性、較好的抗沖擊性，可作為金屬材料的替代品運(yùn)用于汽車外飾構(gòu)件。同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料具有較好的吸振效果，對(duì)撞擊有較大的緩沖作用，且減少撞擊碎片的產(chǎn)生，提高了安全性。此外，碳纖維內(nèi)外飾材料的使用，除了達(dá)到汽車輕量化效果，還簡(jiǎn)化了零件制造工藝，降低了零件加工、裝配、維修費(fèi)用，降低生產(chǎn)成本。

應(yīng)用實(shí)例：

• 寶馬M4配備了碳纖維質(zhì)地的前后保險(xiǎn)杠。

• 改裝版奔馳G50在外部套件、內(nèi)外飾等多處使用碳纖維復(fù)合材料，在減重的同時(shí)動(dòng)力也得到升級(jí)。

圖 碳纖維內(nèi)飾

5. 碳纖維在傳動(dòng)軸中的應(yīng)用

汽車傳動(dòng)軸的受力情況比較復(fù)雜，尤其要承受很大的扭矩，對(duì)材料性能要求較高。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有各向異性、比強(qiáng)度高和比模量相對(duì)較低的特點(diǎn)，替代金屬材料作為傳動(dòng)軸可較好的滿足使用需求。碳纖維傳動(dòng)軸不僅可減輕重量60%，而且具有更好的耐疲勞性和耐久性。

應(yīng)用實(shí)例：

• 豐田86碳纖維傳動(dòng)軸僅5.53kg，減重50%。

• 蘭博基尼第六元素概念車使用碳纖維活塞連桿取代鋼制連接件，重量減輕40%-50%。

圖 碳纖維傳動(dòng)軸

6. 碳纖維在進(jìn)氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料作為汽車進(jìn)氣系統(tǒng)材料，一方面可減輕重量，達(dá)到輕量化的效果；另一方面，碳纖維材料易加工成各種曲面形狀，且表面較為光滑，可有效提高進(jìn)氣效率。

應(yīng)用實(shí)例：

• 福特FalconXR6 Sprint轎車采用100%碳纖維制造的進(jìn)氣系統(tǒng)。碳纖維進(jìn)氣管重235克，而塑料進(jìn)氣管則為438克。

• 寶馬E82 135i配備的碳纖維高流量進(jìn)氣系統(tǒng)，使用高規(guī)格制程的雙面碳纖維風(fēng)箱與管路，可有效隔絕熱源，提供了更穩(wěn)定的冷空氣來(lái)源，提升燃燒效率，釋放高轉(zhuǎn)速馬力。

圖 碳纖維進(jìn)氣歧管

三、碳纖維將對(duì)汽車行業(yè)帶來(lái)革命性改變

碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化上的應(yīng)用潛力巨大，擁有其他材料不可比擬的密度、比強(qiáng)度、比模量等全方位力學(xué)性能，成本、制造工藝及技術(shù)等主要瓶頸不斷實(shí)現(xiàn)突破下，未來(lái)碳纖維復(fù)合材料將在汽車產(chǎn)業(yè)迎來(lái)飛速發(fā)展。尤其是新能源汽車將成為碳纖維應(yīng)用突破，未來(lái)五年碳纖維在汽車工業(yè)將迎來(lái)巨大的市場(chǎng)需求。

圖 對(duì)車用碳纖維市場(chǎng)的預(yù)測(cè)分析（來(lái)自：賽奧碳纖維）

碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用比例將持續(xù)增長(zhǎng)，其材料的特殊性必將對(duì)未來(lái)汽車行業(yè)帶來(lái)革命性的改變。

生產(chǎn)過(guò)程：采用一體成型技術(shù)，新材料高度集成設(shè)計(jì)，減少零部件數(shù)量和模具數(shù)量，減少零部件連接等工序，縮短生產(chǎn)周期。特殊的成型工藝及連接工藝取代傳統(tǒng)汽車制造的沖壓、焊裝工藝；

售后維修：“剪切式”維修，維修過(guò)程中將破損部件換上一個(gè)新的總成即可完成修復(fù)，避免了傳統(tǒng)車輛維修中的“鈑金”工藝；

整車結(jié)構(gòu)：整車模塊化程度更高。由目前的乘員艙模塊向其它部件擴(kuò)散，減少整車組成；

外觀油漆：碳纖維特殊的外觀顏色，對(duì)傳統(tǒng)的油漆產(chǎn)業(yè)也會(huì)造成沖擊，未來(lái)會(huì)針對(duì)碳纖維材料設(shè)計(jì)一系列新的油漆。

文章素材來(lái)自中國(guó)汽車材料網(wǎng) 作者：付正婷  

圖片素材來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)，艾邦高分子張先棟編輯

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