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碳纤维制品材料在汽车领域有什么样的运用

编辑:中山大航复合材料科技有限公司时间:2020-12-11

碳纤维是由有机纤维经过一系列热处理转化而成,含碳量高于90%的无机高性能纤维,是一种力学性能优异的新材料,具有碳材料的固有本性特征,又兼备纺织纤维的柔软可加工型,是新一代增强纤维。近几年碳纤维制品材料在汽车领域中也是光彩绽放,应用十分广泛。


一、碳纤维制品材料的特性


汽车车身的轻量化主要从车身结构设计和材料的选择与替代两个方面着手。在材料轻量化方面,目前仍以高强度钢、镁、铝和塑料作为主要汽车材料组合,其中尤其以碳纤维至为出色,其优越性几乎可以完全替代钢材料。其中以树脂和金属为基体的复合材料在车身上的应用较为成熟,具有应用于车身制造的诸多优势。


1、具有较高的强度。碳纤维制品材料具有目前常用材料中至高的比模量和比强度,用其制成与高强度钢具有同等强度和刚度的构件时,重量可减轻70%左右。


2、具有良好的抗疲劳性。碳纤维复合材料的抗疲劳性能非常好。由于在疲劳载荷作用下的断裂是材料内部裂纹扩展的结果,碳纤维复合材料中碳纤维与基体间的界面能有效阻止疲劳裂纹扩展,而外加载荷由增强纤维承担,因而疲劳强度极限比金属材料和其他非金属材料高很多。


3、碰撞吸能性好。碳纤维制品材料是汽车金属材料非常理想的替代材料,在碰撞中对能量的吸收率是铝和钢的4~5倍,减轻车身质量的同时还能保证不损失强度或刚度,保持防撞性能,极大地降低了轻量化带来的汽车安全系数降低的风险。


4、制造工艺性好。碳纤维制品材料的工艺性和可设计性好,通过调整CFRP材料的形状、排布、含量,可满足构件的强度、刚度等性能要求,能用模具制造的构件可一次成型,减少紧固件和接头数目,可以大大提高材料利用率。


二、车身轻量化对续驶里程的影响


目前汽车车身重量的3/4是钢材,轻量化空间很大。研究表明,碳纤维增强复合材料车身质量仅172kg,而钢制车身为367.9kg,碳纤维增强复合材料轻量化效果达53%以上。


由于纯电动汽车受安装的动力电池的容量限制,其一次充电后的续驶里程过短,成为影响纯电动汽车推广使用的一个重要因素。如果用碳纤维复合材料来制造车身,将车身减轻的质量用于增加电池数量,在保持整车质量不变的情况下,可以大大提高续驶里程。


应用碳纤维制品材料可以极大地实现电动汽车轻量化来平衡电池组的重量,增加纯电动汽车的续驶里程。当然,蓄电池组的安装需要合适的空间,在不减小乘用空间的基础上,合理控制碳纤维复合材料轻量化程度,可增加蓄电池组容量,既保证一定的续驶里程,同时也避免过分CFRP化带来的的高成本问题。


三、碳纤维制品材料车身大规模应用前景


制约碳纤维复合材料大范围应用的主要因素包括性价比、供应商的结构和能力、汽车发展和产品环境等影响。同时它的生产和加工技术还不够成熟,应用和研发成本较高,相关部门缺乏一定的长远发展规划等。


电动汽车,尤其是纯电动汽车,对整车轻量化的迫切性比传统内燃机汽车更强烈。整车轻量化可以车身轻量化为突破口。迄今为止的研究表明,碳纤维制品材料是非常理想的车身轻量化材料。将碳纤维车身用在纯电动汽车上,可以在一定程度上抵消目前动力蓄电池比能量不够的问题。