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汽車輕量化用碳纖維復(fù)合材料國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

2022-02-18 09:58黃純可余樂(lè)銘劉楊生陳帥宇楊龍湖
時(shí)代汽車 2022年3期
關(guān)鍵詞:應(yīng)用現(xiàn)狀發(fā)展前景

黃純可 余樂(lè)銘 劉楊生 陳帥宇 楊龍湖

摘 要:文章主要是分析了碳纖維及其復(fù)合材料的特性,在此基礎(chǔ)上講解了碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化上的應(yīng)用情況,最后探討了其的未來(lái)發(fā)展前景,望可以為有關(guān)人員提供到一定的參考和幫助。

關(guān)鍵詞:碳纖維復(fù)合材料 汽車輕量化 應(yīng)用現(xiàn)狀 發(fā)展前景

1 引言

當(dāng)前人們生活質(zhì)量的提升,使得生態(tài)環(huán)境的污染程度逐漸變得越來(lái)越嚴(yán)重,為能夠有效治理和保護(hù)環(huán)境,輕量化的汽車產(chǎn)品是汽車行業(yè)研究生產(chǎn)的重點(diǎn)。在汽車生產(chǎn)的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)有效確保到其的輕量化,才可以保證到汽車的輕量化。

2 碳纖維及其復(fù)合材料的特性

碳纖維是一種高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料,碳含量大于95%。它具有無(wú)蠕變、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)高、化學(xué)性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用中具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)力發(fā)電、飛機(jī)制造等領(lǐng)域。近年來(lái),他們不斷拓展體育休閑、汽車制造、工業(yè)機(jī)械、軌道交通、醫(yī)療保健、延伸裝備等領(lǐng)域。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指碳纖維作為增強(qiáng)劑,樹脂,金屬,陶瓷等作為基材。碳纖維復(fù)合材料通常基于樹脂的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的密度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)汽車的密度。金屬結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)高出50%,其重量比鎂/鋁合金結(jié)構(gòu)輕,直接影響車輛的節(jié)能,加速和制動(dòng)性能。同時(shí),碳纖維布的剛度和吸力不能低估,其碰撞可以達(dá)到鋼的6-7倍和3-4次鋁,這進(jìn)一步確保了車輛的安全性;更高的減振可以提高噪音,振動(dòng)和車輛聲音粗糙度的性能,并改善舒適性。

3 CFRP在汽車輕量化中的應(yīng)用

按照美國(guó)能源部和其他部門和機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)車輛總重量將減少10%,燃料消耗將減少6%-8%,排放將減少5%-6%??梢钥闯?,汽車輕量級(jí)是減少燃料消耗并保護(hù)環(huán)境的有效方法。碳纖維布的密度約為1.6g/cm3,這不到鋼的1/4。同時(shí),它具有優(yōu)異的機(jī)械性能,環(huán)境耐候性,尺寸穩(wěn)定性,可設(shè)計(jì)性,高吸力效率和減震,并開發(fā)具有開發(fā)前景的輕質(zhì)材料。

3.1 車身構(gòu)件

汽車車身部件是汽車最常見(jiàn)的部件,如引擎蓋,框架,屋頂框架,加強(qiáng)件,擾流板等。有碳纖維布,碳纖維布的強(qiáng)度高于剛度。在普通鋼的情況下,在相同的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下,由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)部件將鋼結(jié)構(gòu)部件減少至約50%,它有效提高了汽車動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)性能,尤其是賽車中體現(xiàn)的那些組件的動(dòng)態(tài)性能。1992年,CFRP已用于超輕概念車輛的車身和底盤結(jié)構(gòu)。車身的總重量約為191kg,重量為68%,節(jié)省40%。

3.2 輪轂

車輪是汽車中十分重要的部件之一。它既能承受到了整車的重量和載荷,又能克服驅(qū)動(dòng)力和扭矩。因此,輪轂不僅要有較高的沖擊力,還要有良好的耐久性、耐熱性和安全性。碳纖維復(fù)合材料輪轂不僅能滿足整車輪轂的要求,而且在整車的輕量化方面也有很好的表現(xiàn),rx-x高端轎車的碳纖維布輪轂重量?jī)H為6kg,高速運(yùn)轉(zhuǎn),可以在最大程度上降低了車輪的徑向慣性功率;2013年瑞典Konnisec公司的Agera跑車配備了世界上第一個(gè)空心的碳纖維輪轂,可以減輕大約20公斤的重量,同時(shí)仍然可以確保良好的安全性和抗沖擊性。

3.3 傳動(dòng)軸

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有著各向異性,高比強(qiáng)度和特定模量的特點(diǎn),可充分用于傳動(dòng)軸產(chǎn)品。與普通鋼相比,重量可以減少一半以上。在相同的重量和直徑的條件下,扭矩可以達(dá)到超過(guò)鋼的170%。此外,碳纖維傳動(dòng)軸可以有效地減小傳動(dòng)軸的重量,它將具有更好的疲勞性和耐用性。由豐田開發(fā)的碳纖維驅(qū)動(dòng)軸不僅將重量減少一半,而且還具有更快的傳輸效率。GNK開發(fā)出碳纖維傳動(dòng)軸,廣泛應(yīng)用于奧迪A4和其他型號(hào)。

4 碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

在中國(guó)汽車工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中,為可以更好地發(fā)展和實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在許多問(wèn)題,這影響了在此階段汽車復(fù)合材料的開發(fā)。其應(yīng)用效果和最終實(shí)現(xiàn),第一,中國(guó)汽車制造業(yè)的類型和數(shù)量也在越來(lái)越多,碳纖維復(fù)合生產(chǎn)能力非常出色。碳纖維復(fù)合材料的主要原材料是碳纖維和樹脂,我國(guó)的碳纖維復(fù)合材料需要大量進(jìn)口,這與高速汽車生產(chǎn)的數(shù)量還是一致的,因此高進(jìn)口的碳纖維復(fù)合材料,進(jìn)口的碳纖維數(shù)量,它是一種輕量化的汽車生產(chǎn)方式,在實(shí)施過(guò)程中存在著很大的問(wèn)題,廠家再將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車上,也存在一定的問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的企業(yè)中,由于使用的原絲質(zhì)量比較差,工藝積累較少,生產(chǎn)出的碳纖維復(fù)合材料不能滿足汽車的質(zhì)量,當(dāng)然近年來(lái)國(guó)內(nèi)碳纖維的質(zhì)量有了很大的提高,甚至滿足了國(guó)內(nèi)碳纖維的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了非進(jìn)口碳纖維,但與出口國(guó)產(chǎn)碳纖維還有一定距離,因此影響了碳纖維復(fù)合材料與汽車輕量化的數(shù)量,也會(huì)在一定程度上影響了汽車工業(yè)的發(fā)展方向。然后,在使用過(guò)程中,很多汽車生產(chǎn)廠家不能明確地具體運(yùn)用技能和使用工藝,導(dǎo)致汽車的工藝輕量化,雖然在最初的設(shè)計(jì)階段投入了更多的財(cái)力,但輕量化的應(yīng)用效果和質(zhì)量無(wú)法保證,這就導(dǎo)致了汽車生產(chǎn)效果不佳,也會(huì)直接影響到了整個(gè)汽車制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。最后,由于碳纖維復(fù)合材料是一種新型汽車生產(chǎn)材料,為可以保持原有生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)線的生產(chǎn)需要,以滿足各種型號(hào)的生產(chǎn)需要,如鋁、鎂等合金材料,因此也會(huì)在一定程度上影響到了碳纖維復(fù)合材料在輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用。與此同時(shí),它還阻礙了碳纖維復(fù)合材料在汽車輕質(zhì)中的應(yīng)用。與傳統(tǒng)材料相比,碳纖維復(fù)合材料的成本很高,國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料制造供應(yīng)商較少經(jīng)驗(yàn),缺乏大規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),零件質(zhì)量的一致性低。在比較傳統(tǒng)材料和碳纖維復(fù)合材料的經(jīng)濟(jì)效益后,更多的人將為輕量級(jí)應(yīng)用選擇傳統(tǒng)材料。

5 應(yīng)用進(jìn)展

5.1 國(guó)外

在20世紀(jì)50年代,碳纖維布被廣泛用作F1的材料。在科技和全球汽車工業(yè)的繁榮開發(fā)和全球汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展,碳纖維布在汽車零件領(lǐng)域具有大的應(yīng)用潛力。在改裝汽車和高性能跑車的過(guò)程中,碳纖維布的應(yīng)用率越來(lái)越多。碳纖維布制成的85%的F1競(jìng)爭(zhēng),可以改善碳纖維增強(qiáng)塑料的生產(chǎn)過(guò)程。在20世紀(jì)80年代,高性能豪華車由碳纖維增強(qiáng)塑料制成。1992年,通用電機(jī)推出了一輛超輕概念車,使用碳纖維來(lái)加強(qiáng)塑料而不是鋼制機(jī)身和底盤組件。寶馬正引領(lǐng)碳纖維增強(qiáng)塑料進(jìn)入大眾汽車,并成為大眾汽車領(lǐng)域的重要貢獻(xiàn)者。2014年,寶馬在2014年生產(chǎn)的I3、I8純電動(dòng)汽車上大量使用碳纖維增強(qiáng)塑料材料,由于模塊化生產(chǎn),汽車零部件數(shù)量超過(guò)傳統(tǒng)金屬零部件,汽車零部件數(shù)量減少了2/3,2015年7月,第六代寶馬7系正式投產(chǎn),采用碳纖維布生產(chǎn)車身材料,并與高強(qiáng)度鋼和鋁完美結(jié)合。

5.2 國(guó)內(nèi)

與外國(guó)發(fā)達(dá)國(guó)家相比,中國(guó)在汽車部門的研究處在落后階段,這是相對(duì)落后的。它仍處于生產(chǎn)階段。然而,近年來(lái),碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的持續(xù)改善和生產(chǎn)規(guī)模的連續(xù)擴(kuò)張已經(jīng)為國(guó)內(nèi)汽車碳纖維布,奇瑞汽車技術(shù)研究機(jī)構(gòu)的開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。將混合動(dòng)力電動(dòng)汽車Iruze7升級(jí),這是由碳纖維復(fù)合材料制成的第一載體,其重量為218kg,金屬重量為48%。

6 發(fā)展前景

為可以使碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化實(shí)施中得到更廣泛的應(yīng)用,汽車生產(chǎn)企業(yè)的相關(guān)管理人員和技術(shù)人員應(yīng)按照存在的問(wèn)題和現(xiàn)狀,在這一應(yīng)用階段采取相應(yīng)的措施:一是為可以保證碳纖維復(fù)合材料的使用,汽車的重量比較好,為可以提高汽車制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,相應(yīng)的技術(shù)人員必須制定合理的使用工藝和使用規(guī)范,保證碳纖維復(fù)合材料的使用,不會(huì)造成碳纖維復(fù)合材料的報(bào)廢,同時(shí)也有效的提高到了碳纖維復(fù)合材料的使用性能。為可以提高汽車的性能并改善汽車制造商的整體形象,有必要在碳纖維復(fù)合材料采購(gòu)期間進(jìn)行嚴(yán)格的檢查,這可以滿足生產(chǎn)過(guò)程中汽車的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格。原材料的性能檢查應(yīng)從汽車制造商的管理和技術(shù)改進(jìn)。除了保證更有效的碳纖維復(fù)合材料的使用外,相關(guān)的政府部門還應(yīng)制定支持,鼓勵(lì)汽車制造商使用國(guó)內(nèi)大碳纖維。這樣,我們只能確保中國(guó)更多的汽車制造商可以關(guān)注發(fā)展。制定合理的扶持政策既要體現(xiàn)在資金支持上,也要體現(xiàn)在碳纖維復(fù)合材料國(guó)內(nèi)原材料的應(yīng)用和推廣上,確保汽車能夠更順利地使用碳纖維復(fù)合材料,提高整個(gè)汽車生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率,積極采用碳纖維復(fù)合材料作為汽車制造過(guò)程的原材料,最后為可以保證汽車制造過(guò)程中使用的碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量,有必要明確碳纖維復(fù)合材料的實(shí)際生產(chǎn)工藝,且應(yīng)當(dāng)大力推進(jìn)綠色能源的生產(chǎn)。專注于碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)企業(yè),使碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)符合輕質(zhì)應(yīng)用的要求,考慮碳纖維的再循環(huán),并創(chuàng)造一個(gè)完整的生態(tài)回收鏈。

7 結(jié)語(yǔ)

由上可知,實(shí)現(xiàn)輕量化是當(dāng)前汽車生產(chǎn)企業(yè)的重要發(fā)展戰(zhàn)略,其主要是通過(guò)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化有效的降低到對(duì)環(huán)境的污染,為此企業(yè)應(yīng)當(dāng)不斷研究和采用到了新型的復(fù)合材料,才可以確保到汽車生產(chǎn)企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)汽車輕量化。

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