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发表于 2020-8-7 17:58:36 | 显示全部楼层 |阅读模式

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碳纤维复合材料在新能源汽车中的应用形式与进展

蔚 亚,康 帆
(西安航空职业技术学院,陕西 西安 710089)
摘 要:在新能源汽车领域中,碳纤维复合材料所起到的作用越来越重要,从汽车的车身到发动机等,金属材料逐渐地被碳纤维复合材料所取代,碳纤维复合材料具有良好的吸收能量性能、低密度、超强韧性,结构稳定,耐腐蚀耐高温等优异的性能,在很大程度上提高了汽车的减震能力等各项性能,同时也是使汽车轻量化的理想材料。简单的介绍了在新能源汽车领域中碳纤维复合材料的应用以及进展。
关键词:碳纤维复合材料;新能源汽车;汽车行业;应用

随着社会经济不断的快速发展,汽车作为人们生活中必不可少的交通工具,汽车行业得到了的大力发展,汽车在各个行业都发挥着重要的作用,极大的方便了人们的生活,但与此同时,汽车的广泛使用也给现今社会带来了许多问题,诸如能源与环境方面的问题。当今社会,低碳环保、节能减排已经引起了人们的高度重视,随着人们不断提高的节能环保意识,新能源汽车等相关的领域得到了大力的发展,随之新型的复合材料也得到了好的发展机会。碳纤维复合材料大大价低了新能源汽车的生产成本和消费者的使用成本,并且拥有优异的各种性能:吸收能量性能,超强韧性,耐腐蚀,耐高温,耐疲劳等。因此,加强碳纤维复合材料在新能源汽车领域中应用的研究是非要必要的。
1 碳纤维及其复合材料
碳纤维,是一种碳含量在90%以上的高强度高模量纤维材料,耐高居所有化纤之首,它的结构主要是由石墨微晶等有机物纤维,然后沿着纤维轴向堆砌而形成,再经过碳化及石墨化等复杂工艺处理,然后得到微晶石墨的集合体。碳纤维的石墨微晶结构是沿着纤维轴向选择更优的方向取向的,因此碳纤维的模量和强度在这个方向上都很高。碳纤维复合材料是由碳纤维与 金属,陶瓷,树脂等基体制作而成。碳纤维和树脂制作的复合材料,其比强度和比模量在所有现存的工程材料中是最高的。因为碳纤维的各方面优异性能:比强度,比模量,耐腐蚀,吸能等等,使得其在军工,航天,交通,汽车,体育等领域都有很广泛的应用。
1.1 碳纤维复合材料的优异性能
1.1.1 力学性能
密度低,在绝大多数的耐高温材料中,碳纤维复合材料是最轻的,在很高的温度下也能保持良好的强度,拉伸强度和弹性模量也非常好,高于一般的材料,此外,也有较好的断裂韧性和抗疲劳性。
1.1.2 热物理性能
热膨胀系数小,比热容高,吸收能量的功能很好,所以它的耐高温耐热摩擦的性能都非常显著。
1.2 碳纤维复合材料的特征
1.2.1 超强拉伸弹性
一般情况下,碳纤维复合材料的拉伸弹性高于3500Pa,相当于钢材料的7倍。同时,碳纤维复合材料的比模量也是远远高于钢的。
1.2.2 耐高温,耐腐蚀性
与其他很多材料相比较,碳纤维复合材料拥有耐高温,耐腐蚀等超强性能。凭借独特的碳结构,碳纤维复合材料拥有大面积的整体成型特征。另外,稳定性和可塑造性也是它的优点,这些独有的特征使得它在车轻量化实现线性增长。
1.2.3 优越的能量吸收性能
碳纤维复合材料具有优越的吸能性能,使得其在新能源汽车中得到广泛的运用。碳纤维复合材料的质量轻,具有抵抗更大的冲击的能力。与同类的钢材料零部件相比,其质量不到钢的50%,与同类的铝材料零部件相比,其质量是铝的70%左右[3]。
2 碳纤维复合材料在新能源汽车领域中的现状2.1 德国
全球汽车行业中,德国一直处于领先地位,新能源汽车行业的发展也非常快速。德国新能源汽车在实现汽车轻量化取得了巨大成就,降低车身重量的同时也保证了汽车的稳定结构。碳纤维复合材料的使用使新能源汽车实现“瘦身”。
2.2 日本
日本一直致力于高新技术的发展,新能源汽车行业也成为重视的行业之一。使用碳纤维复合材料,日本汽车行业实现了汽车车身构造一体化,大大缩短了汽车生产工艺,节约成本,同时也减轻了汽车的重量,实现了节能减排。
2.3 国内
近些年,我国的汽车工业取得了很大的进步,已经步入了稳健的发展状态。国内的汽车企业近些年也都在致力研发设计新能源汽车,并且也取得了一定的成就[8]。例如车企长城自主研发了一款纯电动跑车,为了减轻车身质量,这款跑车应用了大量的碳纤维复合材料,与此同时设计上实现了很大程度的节能环保,汽车的安全性也得到了保证。更早之前,奇瑞也推出了一款新能源汽车,碳纤维复合材料构成了新能源汽车流畅的车型,使汽车的各方面性能都有效提升。目前,中国的碳纤维复合材料的研究更加重视生产技术上的突破,降低生产成本,使其在汽车行业得到更加广泛的使用[4]。
3 碳纤维复合材料在新能源汽车行业的发展趋势
随着当今世界科学技术不断地发展进步,人们生活的方式也在不断地改变着、进步着,生活因现代科技的快速发展变得越来越便利,但是与此同时科技的不断进步也给人类的生存环境带来了一些威胁。为了实现人类社会的可持续发展,全世界各国都越来越重视与强调低碳生产、节能减排。汽车行业则重点研发低碳节能的新能源汽车,其中最重要的一点就是实现汽车轻量化,碳纤维复合材料则成为制造新能源汽车的首选材料,成为全球汽车生产商的重点研究方向。我国经过几年的研发,在碳纤维电动车的相关研究上已经取得了一定的成效。国际上其他国家,对碳纤维复合材料在新能源汽车上的应用研究也是极其重视的。诸如德国、美国以及日本,都对新能源汽车上碳纤维材料的应用开展了大力研发。此前,德国奔驰公司就与日本生产商合作,一起参与投资建厂,致力于生产碳纤维材料汽车配件。此外,德国宝马公司投资了大量的资金用于电动汽车车身的开发与设计,并且后来成功研发出了全球首款全碳纤维车体汽车,在全世界引起了非常大的反响。
近些年来,政府也制定了相关的一些法规与政策,比如二氧化碳排放法规,汽车燃料经济性标准等等。在相关政策的引导下,汽车生产商们更加青睐于碳纤维复合材料。随着对汽车行业越来越高的要求,诸如汽车轻量化,燃油效率提高等,碳纤维越来越多的出现在人们的生产制造中,由此可见,碳纤维复合材料的广泛使用是一种必然的趋势,尤其在新能源汽车领域[2]。
汽车的轻量化设计,降低车身质量,降低汽车的能耗,同时能够是汽车的综合性能全面提升。要实现车身轻量化可以通过结构轻量化和材料轻量化两个方面着手,现阶段车身机构设计技术已经相对成熟,因此,目前还是以材料轻量化研究为主要手段。
4 碳纤维复合材料在汽车行业的应用
在人们的日常生活中,汽车是一种非常重要的交通工具,给人们的生活带来了很多的便利,但是与此同时,随着汽车被越来越广泛的使用,也带来了一些问题,比如环境污染,能源危机等等。因此,现在在汽车的生产上面,都会力求达到良好的节能减排标准,这也就要求汽车的轻量化以及低能耗低污染。相关数据表明:汽车的整车质量每减少10%,汽车的燃油效率能够提高6%~8%。汽车的质量每减少100kg,行驶里程100km,油耗可以减少0.3~0.6L,同时二氧化碳的排放能够减少500g[7]。
碳纤维复合材料不仅实现了汽车的轻量化,而且也能够达到汽车的刚性性能需求[5],如表1所示。
表1 碳纤维复合材料在新能源汽车中的主要应用途径
Tab.1 Main application of carbon fiber reinforced polymer in new energy vehicles

4.1 在汽车车身上的应用
传统的汽车生产中,钢铁等金属材料占车身比重较大,如果改用碳纤维复合材料制造汽车车身和底盘,汽车整车的重量可以减少40%~60%,相当于钢结构的1/3~1/6,其拉伸轻度却是同类钢结构的7~8倍[1]。而且同时,汽车车身的安全性和抗冲击能力也能得到保证。此外因为碳纤维材料易于加工成各种复杂的结构,可以实现新能源汽车车身的一体化,如图1所示。很大程度上的缩短了工艺的制造流程,从而降低一部分制造成本。所以说,碳纤维复合材料在汽车车身的应用上有很大的研发空间,具体对比如表2所示。
图1 碳纤维复合材料一体式车身
Fig.1 carbon fiber reinforced polymer integrated body

表2 碳纤维与其他轻量化材料的性能对比
Tab.2 Performance comparison between carbon fiber and other lightweight materials

4.2 在汽车车毂中的应用
汽车的车毂是汽车的重要部件之一,如图2所示。对汽车的安全行驶起到至关重要的作用。车毂要承受汽车自身的重量以及汽车的载重,此外车毂还要传递驱动和扭矩,因此对汽车车毂的质量有很高的要求。碳纤维复合材料具有优异的耐热性能、耐疲劳性能以及力学性能,可以作为替代金属材料作为车毂的制作材料,以满足车毂高强度,良好的抗冲击性,良好的耐热和导热性能的要求。与此同时,碳纤维复合材料制作车毂可以使车毂的质量降低,与利于减少车轮转动的惯性,更快的启动汽车、停止汽车以及转向速度。
图2 碳纤维车毂
Fig.2 Carbon fiber hub

4.3 在汽车内外饰,门窗上面的应用
良好的吸收能量的性能是碳纤维复合材料的一大优点,因此汽车在迎接撞击时,能很好的吸收其产生的巨大冲力,起到良好的缓冲减震效果。同时减少因撞击产生的碎片,很大程度上提升了汽车的安全性能。汽车上的内外饰使用碳纤维复合材料制作,如图3所示。可以很大程度上降低汽车生产成本和用户的使用成本,首先使用碳纤维复合材料可以实现汽车轻量化,此外因为碳纤维复合材料易加工成型,从而简化汽车的零部件制作工艺流程,进而大大减少在加工零部件,维修以及装配过程中的生产成本。
图3 碳纤维车内饰
Fig.3 Car interior made of carbon fiber

4.4 在汽车进气系统上的应用
汽车的进气系统采用碳纤维复合材料,因起良好的加工性能,容易加工成各种需求的曲面的复杂形状,并且,碳纤维复合材料光滑的表面可以有效提高汽车的进气效率。此外,它还可以减轻进气系统的质量,进而减轻整车质量,达到轻量化的效果。
碳纤维在新能源汽车应用上的优势如下所示。
1)密度小,可以达到汽车轻量化的要求,进而实现节能减排,减少对环境的污染,是一种环保型材料。
2)可塑性良好,碳纤维的复合材料具有很好的可塑性,可以根据使用需求容易加工成各种各样复杂的形状,包括一些金属材料难以加工的曲面形状,有利于实现汽车车身一体式的整体结构。例如将车内所有座位设计成一个整体,应用金属材料的话,大概需要焊接50~60个零部件,碳纤维复合材料的零部件这要大大减少,简化了成产的工艺流程,很大程度上提高了工作效率。
3)碳纤维复合材料具有良好的吸能量的性能,应用于汽车的车身,受到撞击时可以起到缓冲减震吸能的作用,汽车的安全性能可以得到很大程度的提高。
随着碳纤维复合材料的研发成功,如今已经得到全世界的汽车生产商的认可以及运用,并且需求量与日俱增,拥有广阔的发展前景。但是碳纤维的成本相对较高,所以目前大多只是使用在高档轿车以及赛车上面。碳纤维复合材料在能源节约,环境保护上面可以起到重要的作用,符合社会发展的主流趋势,应加快对碳纤维的研发,降低成本,提高性能,必定能大大的推动汽车行业的快速发展[6]。未来我国碳纤维材料的研究也应该致力于降低碳纤维及其复合材料的的生产制造成本,只有这样才能更好地发挥碳纤维材料在新能源汽车行业更甚至其他各行各业的重要作用。为建设可持续发展的社会提供一条有效的途径。
5 结语
目前全球碳纤维只要是美国,日本,德国制造的。虽然近些年,我国在碳纤维复合材料的研发制作领域已经有了一定的研究成果,在一些关键的领域和装备应用上面也取得了很好的成效,但是与国外相比还是有很大的差距。表现在原产丝杂质含量高,碳纤维质量不稳定,离散系数大。此外,生产制造的成本还有待降低。虽然现阶段有部分国产的碳纤维产品应用于航天航空,体育休闲等领域,但是高端应用领域只占比相对较少,我国的大部分高端碳纤维产品主要依赖于其他国家的进口,汽车领域中碳纤维的应用程度也与国外有着一定的差距。我国的碳纤维研发技术还需要更进一步研究,使研发的技术上取得良好突破,形成一种体系模式:产业化碳纤维发展模式,能使我国更多的高端碳纤维产品使用自己生产制造的材料,打破其他国家的技术垄断。
随着各个领域对材料轻量化,高性能化,环保化的要求越来越高,以及碳纤维复合材料的高性能发展,碳纤维复合材料在航天航空,汽车,能源,环保,体育等等领域的应用需求将会越来越大。碳纤维材料的复合技术竞争也会越来越激烈,各个国家以及汽车制造商也都在积极的开发,正积极的加入到这个竞争。中国的碳纤维技术研究也在不断发展,奋力追赶,新能源汽车领域中碳纤维及其复合材料的应用也必将越来越广泛,汽车行业以及其相关的产业也必定会快速发展起来。
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