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碳(石墨)纖維增強復合材料在汽車中的應用

碳（石墨）纖維具有比重小,、強度高、模量高、耐腐蝕等特點,，可用于制造碳（石墨）纖維增強聚合物,、金屬、陶瓷基復合材料,，是先進復合材料最重要的增強體,。碳纖維增強復合材料用于制造汽車車身、發(fā)動機零件等,，可有效降低汽車自重并進步汽車性能,，是當前汽車材料輕量化的重要研究發(fā)展方向之一。本文將簡述碳纖維增強復合材料的性能特點,，及其在汽車產業(yè)應用的遠景和存在的題目,。

上海依肯最新研發(fā)的研磨分散機特別適合于需要研磨分散均質一步到位的物料。是將IKN/依肯膠體磨進行進一步的改良,，在原來CM2000系列研磨分散機為立式分體結構,，精密的零部件配合運轉平穩(wěn)，運行噪音在73DB以下,。同時采用德國博格曼雙端面機械密封,，并通冷媒對密封部分進行冷卻，把泄露概率降到低,，保證機器連續(xù)24小時不停機運行,。在膠體磨的基礎上，將單一的膠體磨磨頭模塊,，改良成兩級模塊,，加入了一級分散盤。

研磨分散機的特點：

更穩(wěn)定 采用優(yōu)化設計理念,，將先進的技術與創(chuàng)新的思維有效融合,，并體現(xiàn)在具體的設備結構設計中，為設備穩(wěn)定運行提供了保證.

新結構 通過梳齒狀定子切割破碎,，縫隙疏密決定細度大小,，超高線速度的吸料式葉輪提供超強切割力，纖維濕法研磨破碎可達400目.

更可靠 采用整體式機械密封,，最大程度上解決了高速運轉下的物料泄漏以及冷卻介質污染等問題,，安裝與更換方便快捷.

新技術 采用國際先進的受控切割技術，將纖維類物料粉碎細度控制在設定范圍之內,，滿足生產中的粗,、細及超細濕法粉碎的要求.

隨著汽車產業(yè)的飛速發(fā)展,，減少燃料消耗和降低對環(huán)境的污染已成為汽車產業(yè)發(fā)展和社會可持續(xù)發(fā)展急需解決的關鍵題目。汽車的燃料消耗和CO2廢氣的排放量與汽車重量存在密切的關系,，美國能源部相關研究表明,，美國現(xiàn)有的汽車，如減重25％,，天天可節(jié)省750,000桶燃油,，每年CO2的排放量可減少1.01億噸，因此汽車輕量化已成為汽車產業(yè)技術發(fā)展的重要方向,。除了對汽車各種零部件結構進行優(yōu)化設計和改進外,，采用高性能輕質材料是實現(xiàn)汽車輕量化的一條重要途徑。如選用鋁,、鎂,、鈦、高強度鋼,、工程塑料和復合材料等,，用以制造汽車車身、底盤,、發(fā)動機等零部件,，可以有效的減輕汽車自重，進步發(fā)動機效率,。

碳纖維增強復合材料具有高強度,、高模量，已在航天航空等領域廣泛使用,，是制造衛(wèi)星,、導彈、飛機的重要結構零部件的關鍵結構材料,。它也是適用于制造汽車主結構――車身,、底盤最輕的材料，受到汽車產業(yè)廣泛重視,。但由于碳纖維增強復合材料的價格昂貴,，嚴重影響其在汽車產業(yè)中的應用。因此,，發(fā)展廉價的碳纖維和高效率碳纖維增強復合材料的生產方法和工藝已成為汽車輕量化材料研究中的關鍵課題,，美國、日本等已將其列為汽車輕量化材料的研究計劃,。

碳纖維及復合材料的性能特點

碳（石墨）纖維是以有機纖維――聚丙烯晴（PAN）纖維,、粘膠纖維,、瀝青纖維等原絲經過預氧化,、碳化,、石墨化等高溫固相反應工藝過程制備而成，由有擇優(yōu)取向的石墨微晶構成,，因而具有很高的強度和彈性模量（剛性）,。它的比重一般為1.70～1.80g/cm3，強度為1200～7000MPa,，彈性模量為200～400GPa,，熱膨脹系數(shù)接近于零，甚至可為負值（～1.5×10-6）,。各種類型的碳纖維性能見表1,。

碳纖維同時具有導熱、導電,、耐高溫,、耐腐蝕等優(yōu)良的綜合性能。這些優(yōu)良的綜合性能使碳纖維成為先進復合材料最重要的增強纖維,，可以用來增強聚合物（熱固性,、熱塑性聚合物）組成高性能聚合物基復合材料；增強鋁,、鎂,、銅等金屬組成碳/鋁、碳/鎂,、碳/銅等金屬基復合材料,；增強碳、陶瓷組成耐高溫的陶瓷基復合材料,。碳纖維復合材料可以通過基體,、纖維的選擇、碳纖維含量和分布的優(yōu)化設計做成性能能夠滿足多種要求的各種高性能構件,，滿足航天航空,、電子信息、汽車等領域的需求,。圖2是碳纖維增強復合材料與鋼、鋁,、鈦等常用工程材料的強度,、比模量的比數(shù),，可見碳纖維增強復合材料的比強度,、比模量高出常用材料數(shù)倍，特別是碳纖維增強聚合物基復合材料的力學性能明顯高出常用的工程材料。

由于碳纖維增強聚合物基復合材料有足夠的強度和剛度,，其適于制造汽車車身,、底盤等主要結構件的最輕材料。預計碳纖維復合材料的應用可使汽車車身,、底盤減輕重量40～60％,，相當于鋼結構重量的1/3～1/6。英國材料系統(tǒng)實驗室曾對碳纖維復合材料減重效果進行研究,，結果表明碳纖維增強聚合物材料車身重172kg,，而鋼制車身重量為368kg，減重約50％,。并且當生產量在2萬輛以下時,，采用RTM工藝生產復合材料車身本錢要低于鋼制車身。但由于碳纖維本錢過高,，碳纖維增強復合材料在汽車中的應用有限,，僅在一些F1賽車、高級轎車,、小批量車型上有所應用,，如BMW公司的Z-9、Z-22的車身,，M3系列車頂蓬和車身,，GM公司的Ultralite車身，福特公司的GT40車身,、保時捷911 GT3承載式車身等,。

為進步碳纖維增強復合材料的用量，美國,、歐洲,、日本等通過加緊研究廉價碳纖維的原絲（高品級聚丙烯晴絲）和碳纖維的低本錢、高速率的生產工藝,，使碳纖維的價格降低到約3美元/磅,。目前碳纖維增強復合材料已用于賽車、重卡,、混合動力車的各種零部件的生產,。

碳纖維復合材料在汽車中廣泛應用的障礙和解決途徑

碳纖維增強復合材料在汽車中的應用目前存在一些技術障礙和題目急需研究解決。
1. 本錢題目,。碳纖維增強復合材料所用的纖維和基體材料價格高,，是該材料在汽車產業(yè)廣泛使用最大的障礙。生產碳纖維的原絲――聚丙烯晴絲較貴,，美國正在研究以紡織商品級的聚丙烯晴絲為原絲并能夠快速生產廉價碳纖維的工藝,，可看將碳纖維的價格降至3美元/磅。
2. 缺乏大批量、高生產效率的碳纖維復合材料汽車零部件的生產方法,。
需研究法政能夠生長多種外形和性能的汽車零部件工藝方法,，由于汽車行業(yè)特點，要求工藝本錢要低,，生產率要高,。研究發(fā)展高效,、低本錢的復合材料零件生產工藝意義重大,。
3. 缺乏復合材料的快速、大批量連接技術,。
4. 復合材料汽車零部件的回收再利用題目,。
碳纖維增強熱固性樹脂基復合材料的回收尚存在一定題目，有待解決,。
5. 復合材料汽車零件的設計數(shù)據(jù),、試驗方法、分析工具,、碰撞模型等尚不完善,。

碳纖維復合材料具有足夠的強度和剛度以及優(yōu)良的綜合性能，它的應用將可大幅度降低汽車自重達40～60％,，對汽車輕量化具有十分重要的意義,，已成為汽車輕量化材料的重要發(fā)展方向。目前碳纖維增強復合材料的價格仍比較昂貴,，大批量,、高效率生產汽車零部件的工藝方法仍需要進一步發(fā)展、完善,。這些因素使得碳纖維增強復合材料在汽車中的應用還有限,。國際上已將碳纖維復合材料在汽車中的應用列為汽車輕量化材料發(fā)展計劃的關鍵內容，并取得了重大進展,，預期在2010年碳纖維增強復合材料將在汽車中大量應用,。