文/郑娟

　　说到碳纤维复合材料在汽车工业上的应用，大家一定不会陌生。碳纤维材料在最近几年发展迅猛。小到手机壳，签字笔，大到汽车，飞机，碳纤维越来越多的出现。

　　随着超跑制造商对速度越来越极致的追求，“轻量化设计”成为了近期的关键词，想想也是，那些V10，V12引擎的性能又不能被无限压榨，与其让旗下的每台跑车都成为布加迪威龙SS或迈凯轮奔驰SLR这种马力、扭矩怪兽，倒不如另辟蹊径，把车做的更轻一些，使车辆拥有大的马力/质量比，顺着这个思路，一些轻量化材料越来越多的被应用到车辆每一个部分，今天要介绍的就是这些轻量化材料中的主力军：碳纤维。

　　汽车碳纤维：又称汽车碳化纤维，泛指一些以碳纤维编织或多层复合而成的材料。因为它又轻又坚硬，所以它的用途很广泛。

　　什么是碳纤维?

　　一般碳纤维的密度为1750 kg/立方米，如此低的密度让其更是广泛被使用于大型飞机，例如空中客机的A350与A380，波音787均利用碳纤维复合材料来减轻耗油量。另外大型风力发电机的叶片，赛车、高端自行车的车身均为碳纤维复合材料需求量增加的重要因素。

　　碳纤维的结构

　　直径6微米的碳纤维与后面人类头发的比较：每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，直径大约5至8微米。在原子层面的碳纤维跟石墨很相近，是由一层层以六角型排列的碳原子所构成。两者差别在于层与层之间的连结。石墨是晶体结构，它的层间连结松散，而碳纤维不是晶体结构，层间连结是不规则的。这样便防止滑移增强物质强度。

　　碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000MPa也高于钢。但碳纤维材料也只是沿纤维轴方向表现出很高的强度，其耐冲击性却较差，容易损伤，所以在制造成为结构组件时，往往利用其耐拉质轻的优势而避免去做承受侧面冲击的部分。

　　碳纤维材料的优势

　　碳纤维是一种含碳量高于90%的无机高分子纤维，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软性，制备碳纤维是一个繁杂的过程，从原丝到成品需要经过预氧化，高温炭化，石墨化，表面处理等诸多步骤，每一步骤又有着诸如碳化温度，预氧时间等严格的参数限制；成品碳纤维的轴向强度高，密度低、比性能高，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，繁杂的生产过程无疑造就了它优异的品质。

　　如果咬文嚼字的话，应用在超跑或赛车上的材料不能称之为碳纤维，单纯的碳纤维除用作绝热保温材料外一般不单独使用，它多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料，所以准确地说，赛车及超跑中的碳纤维应称作碳纤维增强的复合材料。近年来，在汽车领域碳纤维被越来越多地应用，它带来的效果是颠覆性的，诸多好处不胜枚举。

　　碳纤维特点之一就是质量轻，这种材料应用在超跑或赛车上带来最直观的改变就是整车重量的降低，在动力系统不变的前提下，减重的车身会带来更出色的加速感受，相对于扔掉空调、音响等配置的减重方法，碳纤维材料的应用在保留舒适配置的同时达到了更好的效果，碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40～60％，相当于钢结构重量的1/3～1/6。

　　碳纤维为车辆轻量化做出的贡献是毋庸置疑的，但更轻的质量是否意味着更低的强度呢？答案是否定的！碳纤维复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，虽然只是轴向强度出色，但也足以满足对车辆安全性能的需求，"越厚的钢板意味着越高的安全性能"这种说法本身是不太正确的，决定车体安全水平的因素主要是看车架的结构和强度，所以碳纤维材料的应用与整车安全性能没有太大关系。

　　除了上述优点外，碳纤维复合材料还具有出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)及出色的抗热冲击性，这使得它成为了发动机罩的理想材料，另外它的热膨胀系数很低，使得车辆在高热情况下运转也不会带来变形，优秀的抗腐蚀与辐射性能也是普通钢材料不可比拟的。

　　说到碳纤维复合材料在汽车工业上的应用，大家一定不会陌生。碳纤维材料在最近几年发展迅猛。小到手机壳，签字笔，大到汽车，飞机，碳纤维越来越多的出现在人们的视野当中。要说碳纤维在汽车领域方面的应用，大家最熟悉的应该是车内饰中应用的碳纤维饰件了。然而碳纤维在汽车领域还有更重要的应用，便是应用于汽车车身。

　　针对碳纤维材料能否在未来汽车领域大放异彩这个问题，我想各位看客一定有自己的独到见解。在这，我为各位简单介绍一下碳纤维复合材料，碳纤维材料的优缺点及其在现今汽车领域的应用。

　　首先，我们来简单了解一下碳纤维材料。碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂等材料通过一定比例混合，经过一系列固化处理得到的具有优异性能的新型材料。这种材料具有传统金属材料无法比拟的优点。

　　优点一：强度高。碳纤维复合材料的机械性能优于金属材料。其抗拉强度时普通钢材的4-5倍，刚度是普通钢材的3-4倍。人们越来越注重汽车的安全性，在“德系车与日系车谁能安全”“铁皮厚与薄谁更安全”等问题上，汽车爱好者已讨论多年，表面上是争个谁对谁错，但实质上反映的事人们对于汽车安全性的看重。这样一种高强度的材料应用到车身上，汽车的安全性会大大增加。

　　优点二：质量轻。碳纤维复合材料在有着优良机械性能的同时，又有着超轻的质量。人们传统意识中的“越结实就肯定越重”的观念被彻底颠覆。在比普通钢材强度高上数倍的同时，它的质量仅为钢材的数分之一。在越来越注重环境保护，越来越注重汽车燃油经济性的今天，轻车身已经成为汽车发展的趋势，由捷豹XE等车型所采用的全铝车身便可见一斑。但全铝车身有一个明显的缺点——维修问题。相比铝合金车身，碳纤维车身更易于维修。

　　碳纤维复合材料还有耐腐蚀，易于造型等优点，上述这些优点让碳纤维复合材料成为车身制造的绝佳材料，甚至用它来制作轮辋。

　　当然任何事物都不是完美的，有优点便有缺点。其中最明显的便是成本高，价格贵。碳纤维的生产和后续加工成本极高。这也就不难理解为什么宝马i3，i8那么贵了，除了品牌价值，电力动力技术等，车身也绝对占了不少份额。另一个需要提到的是回收问题。目前关于碳纤维复合材料的回收还没有很好的解决办法，如果不能进行再利用，将会对环境造成污染。国内外不少团队正在关注这个问题，并致力于找到好的解决办法。

　　这些优缺点也造就了目前碳纤维复合材料的应用范围。现在其更多的应用在超级跑车，F1赛车上。

　　值得一提的是，宝马集团对于碳纤维的关注和投入非常高。早在2009年德国西格里集团与宝马集团就宣布共同成立合资公司，生产用于汽车工业的碳纤维和碳纤维织物。并在北美和德国建立分厂。在前段时间发布的宝马i3，i8电动车的车身便采用的是碳纤维复合材料。宝马M4的车顶也采用了碳纤维材料。

　　2014年5月9日，两集团又在位于美国华盛顿州摩西湖的西格里汽车碳纤维公司摩西湖工厂举办扩产奠基仪式，宣布继续扩大这家合资企业的产能，计划于2015年初完成扩建项目，碳纤维的年产能将达到9000吨。届时，摩西湖工厂将成为世界上最大的碳纤维生产基地。在提高产能的同时，宝马建立目标，到2020年，将碳纤维车架的造价降低到与铝制车架同一水平。由此可见宝马对于未来汽车领域的重视，其卓识远见值得国内汽车厂商学习。

　　汽车外壳大家都比较了解，有些人认为汽车的车身外壳大家所说的铁皮是铁质的，其实铁皮并不局限于铁质合金，很多汽车品牌车身外壳采用铝合金、高韧性材料或者碳纤维材料。对于铝合金和塑料可能比较了解，碳纤维虽然不是什么新型材料但知道他的人并不多，只是有些车主在改装时，在汽车外壳或装饰品上贴上一层薄薄的仿碳纤维贴膜而已。说起碳纤维让人立即联想到高大上的汽车，扒开大脑想一想凡是应用碳纤材料的汽车不是高端汽车就是赛道赛车，再有就是私人订制和发烧友改装的汽车了。碳纤维材料为什么如此受欢迎呢，它有什么优点呢？

　　碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为 23000~43000Mpa也高于钢。但碳纤维材料也只是沿纤维轴方向表现出很高的强度，其耐冲击性却较差，容易损伤，所以在制造成为结构组件时往往利用其耐拉质轻的优势而避免去做承受侧面冲击的部分。

　　随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。车用碳纤维复合材料可用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件。目前钢铁材料约占车体重量的3/4，如果汽车的钢材部件全部由碳纤维复合材料置换，车体重量可减轻300kg，燃油效率提高36%，二氧化碳排放量可削减17%。

　　1、汽车车身和底盘的应用，由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，是制造汽车车身和底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身和底盘减轻质量40% ～ 60%， 相当于钢结构质量的1/3 ～ 1/6。常见的赛车车身、部分改装车身都是为此，另外在视觉效果上绝佳非常炫酷。

　　2、刹车片的应用，碳纤维还因为其环保和耐磨的特点而应用在刹车片上，但含有碳纤维复合材料的产品都价格偏高，所以这种刹车片还主要应用在高档汽车上。碳纤维制动盘被广泛用于竞赛用汽车上，如F1 赛车。它能够在50 ｍ的距离内将汽车的速度从300 km/h 降低到50 km/h，此时制动盘的温度会升高到900 ℃以上，制动盘会因为吸收大量的热能而变红。碳纤维制动盘能够承受2 500 ℃的高温，而且具有非常优秀的制动稳定性。

　　3、轮毂的应用，德国的轮毂制造专家推出的轮毂系列，采取2 片式设计，外环为碳纤维材质打造，内毂为轻量化的合金，搭配不锈钢制的螺丝，较一般同尺码的轮毂质量低40%左右。以20 寸的轮毂为例，该 轮毂质量为6 kg，而一般轮毂约重18 kg。英国Kahm 公司使用CFRP 制得的RX-X 型高级汽车专用车轮，质量仅为6 kg，可高速行驶，并可最大限度地降低车轮的径向惯性力。由英国DYMAG 公司开发的世界最轻碳纤维/镁车轮由碳纤维轮网和镁刹车盘2 部组成，并用镀钛的特殊硬件连接起来。

　　4、传动轴应用 ，汽车传动轴的受力情况比较复杂，尤其要承受很大的扭矩，充分考虑了碳纤维增强复合材料各向异性、比强度高和比模量相对较低的特点，从而使用碳纤维增强复合材料传动轴能够替代金属产品，满足使用要求。碳纤维传动轴它不仅减轻了60%的重量，而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。

　　汽车上碳纤维的应用只要是为了实现汽车的轻量化的同时还能满足足够的汽车刚性需求，不但能达到节能减排的全球性需求，也能满足大众满足大众所关系的省油问题。碳纤材料可以作为未来汽车的主流材料，但是优秀产品总有它的弊端那就是成本太高，小小部件价格都维持在上万元，所以只要能降低成本碳纤材料就能成为主流材料。

　　关于未来车身能否采用碳纤维复合材料，这个还需要时间来验证，但目前来看，是有这个趋势的。能否解决掉碳纤维复合材料的那些缺点，或者如何来平衡其优缺点是关键所在。不管未来如何，汽车车身的发展肯定是向着好的方向发展，最终受益的还是消费者。

　　autowk

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