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碳纤维复合材料汽车零部件开发与前景探讨张王根上海耀华大中新材料有限公司摘要：本文介绍了国内外碳纤维复合材料汽车零部件的开发情况，阐述了开发碳纤维复合材料汽车零部件面临的问题，并对碳纤维复合材料汽车零部件发展前景进行了探讨。关键词：碳纤维、复合材料、汽车、零部件1、概述汽车工业的快速发展，给人们带来交通便利的同时，也面临着环境污染和能源紧缺等问题，为了应对这些问题，使汽车工业的可持续发展，节能减排已经成为汽车工业的重要研究课题。研究显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升，二氧化碳排放可减少约10克/公里。因此，汽车轻量化是节能减排的重要手段，在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地减轻汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降放排气污染。目前汽车轻量化主要有2种途径，一是结构设计优化，提供对车身的结构及骨架进行优化设计，优化结构形式，以达到减重目的。二是通过轻质高强材料替换传统材料，从而达到减重目标。自从1953年世界上第一台FRP汽车—GM Corvette制造成功以后，随着复合材料技术的不断进步，复合材料作为汽车轻量化中应用得到了快速发展，欧美日等汽车发达国家，都已在汽车中大量采用复合材料，碳纤维复合材料也在逐步进入汽车领域，必将成为汽车复合材料的发展趋势。2、碳纤维复合材料特点（1）比强度、比模量高，与传统金属材料比，碳纤维复合材料强度、模量相差不多，但碳纤维复合材料的密度比金属材料低得多，碳纤维复合材料的比强度是传统金属材料的2.4~5.8倍，比模量也达到1.6倍以上（见表1），所以它能够以同样的单位质量获得更高的承载能力，或者说以较小的质量达到同样的承载能力。表1 比强度、比模量对比表拉伸强度拉伸模量密度比强度比模量碳纤维复合材料583.1964.881.51386.2242.972024铝合金425.0068.002.73155.6824.91304不锈钢520.00193.007.9365.5724.3445号钢600.00210.007.8076.9226.92注：碳纤维复合材料数据为上海耀华大中公司采用T300碳纤维200g/m2平纹布和环氧树脂，通过真空导入工艺制作的试样测试的数据，金属材料为销售商提供的数据。（2）抗疲劳性能好，在疲劳载荷作用下的断裂是材料内部裂纹扩展的结果，而疲劳破坏就是裂纹不断扩展所产生的突然断裂。碳纤维复合材料中的碳纤维与基体间的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展。大多数金属材料的疲劳强度极限是其拉伸强度的30%～50%，而碳纤维复合材料则可达到70%～80%左右。（3）破损安全性高，碳纤维复合材料破坏不像传统材料那样突然发生，而是经过基体损伤、开裂、界面脱粘、碳纤维断裂等一系列过程，而当少数纤维断裂时，载荷又会通过基体传递重新分布到其他纤维，其过程是一个不断吸收能量的过程，提高了破损的安全性。（4）减震性好，受力结构的自震频率除与形状有关外，还与结构材料的比模量平方根成正比，所以碳纤维复合材料有较高的自震频率。同时碳纤维复合材料的界面有较大的吸收震动能量的能力，致使材料的震动阻尼较高。（5）各向异性，碳纤维复合材料有着复合材料的共同特点，能根据产品的受力情况合理布置碳纤维分布，实现各方向具有不同的力学性能，充分利用材料。（6）易于成型，复合材料可以成型各种复杂形状。（7）耐腐蚀性好，碳纤维复合材料基体树脂具有良好的耐化学腐蚀性能，不会像金属材料那样容易生锈。3、碳纤维复合材料零部件开发情况碳纤维复合材料具有高强度、高模量、低密度。是汽车轻量化最理想的材料。在发达国家，碳纤维复合材料在汽车上的应用技术已经成熟，宝马I3电动车车身（见图1）可以说是碳纤维复合材料在汽车中应用的最为成功的案例，是碳纤维应用到汽车大型结构件的一个重要的里程碑。碳纤维复合材料在宝马I3电动车上成功的应用得益于宝马突破了2项关键技术：一是宝马公司和SGL通过十多年的研究和试制，开发和生产了用于汽车的碳纤维和碳纤维布，大大地降低了碳纤维的成本，二是他们开发的新的树脂体系以及高压RTM成型工艺，提高了生产效率、降低了生产成本。满足了汽车批量生产的要求。碳纤维复合材料在i3上的应用也使汽车的设计理念发生了改变，I3采用了“LifeDrive”模块架构，它由“Life”和“Drive”两个独立的模块组成，life模块与drive模块的拼合，就像拼积木一样简单。这将为今后的汽车设计带来一场重要变革。图1 宝马I3电动汽车及碳纤维车身东丽与丰田合作开发的碳纤维增强热塑性复合材料，开发制造了燃料电池反应堆框架，应用于丰田燃料电池汽车Mirai中，碳纤维增强热塑性复合材料具有成型时间短的特点，与热固性相比，生产效率更高，适合大规