碳纖維複合材料在汽車上應用現狀及實例

因為碳纖維複合材料對減輕汽車重量、提高車身強度、降低燃油消耗都起到了非常好的作用，所以一直受高端車型所寵愛。但因其製造成本過高，所以暫未能普及所有車型。那麼碳纖維到底有哪些優點呢？在汽車行業又有哪些應用呢？一、碳纖維複合材料在汽車上應用的四大優點1. 輕量化材料種類密度/（g/cm^3）拉伸強度/Mpa彈性模量/Mpa比強度/m比模量/km高強度鋼7.810002140001.30.27鋁合金2.8420710001.50.25鎂合金1.79280450001.60.25鈦合金4.59421120002.10.25碳纖維複合材料2.01100400005.50.2碳纖維複合材料高強度型1.514001300009.30.87高模量型1.611001900006.21.22. 耐久性碳纖維複合材料主要由碳纖維絲束和樹脂材料組成，碳元素化學性質穩定，無需進行表面防腐處理，其耐候性及耐老化性極好，壽命一般為鋼材的2-3倍。採用CFRP材料生產的功能性零部件的疲勞強度也遠高於鋼材。3. 安全性碳纖維複合材料的抗拉強度一般都3500Mpa以上，是普通鋼材的5倍，由碳纖維材料製作的駕駛艙在碰撞中變形極小，可有效保護駕乘者的生存空間。經特殊編織的碰撞吸能結構在高速碰撞中碎裂為較小的碎片，吸收大量撞擊能量（能量吸收性為一般鋼材的3倍以上），能有效提高車輛被動安全。

圖 碳纖維複合材料與其他材料的能量吸收率對比

圖 碳纖維汽車碰撞試驗4. 美觀性表面只噴塗一層清漆，可以清晰的看見內部的碳纖維絲束經緯或者斜線交叉排列，顯得緻密規整。將碳纖維複合材質應用到車尾擾流板，後視鏡，車頂，儀錶板，副儀錶板，門芯板和方向盤等可視化較高的零部件上，營造出車輛科技運動的視覺效果。二、碳纖維複合材料在汽車六個方面的應用目前，碳纖維複合材料在汽車車體和零部件中都得到了廣泛應用。如：汽車車身、內外飾、底盤系統、動力系統等等。下圖為碳纖維複合材料（CFPR）在汽車零部件中的應用情況：

圖 碳纖維複合材料在汽車零部件中的應用情況1. 碳纖維在汽車車身中的應用碳纖維增強聚合物基複合材料有足夠的強度和剛度，是製造汽車車身的最輕材料。預計碳纖維複合材料的應用可使汽車車身減輕質量40%～60%，相當於鋼結構質量的1/3～1/6。英國材料系統實驗室曾對碳纖維複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，而鋼製車身質量為368kg，減重約50%。目前賽車和部分改裝車大多選用碳纖維複合材料車身，在降低重量的同時，因複合材料碰撞時減少了碎片的產生，從而提高了安全性。應用實例：寶馬i3碳纖維座艙減重50%通用超輕概念車採用碳纖維車身和底盤減重68%斯巴魯WRX STItS採用CFRP車頂，相比鋼板減重80%

圖 斯巴魯 WRX STI2. 碳纖維在汽車輪轂中的應用作為保證汽車行駛安全的重要部件之一，輪轂不僅要承受整車重量和載重，還要傳遞驅動和扭矩。這對汽車輪轂的質量要求極高。汽車輪轂要具有較高的強度和抗衝擊性，較好的耐熱和導熱性以及較好的耐久性和安全性。碳纖維複合材料具有優異的力學性能、耐熱性和耐久性，可替代金屬作為輪轂材料。同時，碳纖維材料的使用使得輪轂質量得到降低，有助於減少車輪轉動慣量，使車輛擁有更快的啟動、停止以及轉向速度。應用實例：福特新一代野馬Shelby GT350R配備了碳纖維輪轂。其重量僅為8.6kg，而一般鋁合金輪轂重量要達到15kg。瑞典柯尼賽格的Agera車型整個輪轂上除了輪胎氣門嘴，其餘部件均為碳纖維打造。在降低約20kg的簧下質量的同時，還保證了堅固和安全。

圖 碳纖維輪轂3. 碳纖維在剎車系統中的應用汽車制動器襯片主要使用石棉材料，制動時易摩擦產生高溫，出現性能的熱衰退，而產生的石棉粉塵有致癌危害。碳纖維複合材料的比強度高、耐磨性好、耐熱性好，應用在汽車剎車片上，可作為石棉的替代品。碳纖維制動盤可以在50m內將車速由300KM/h降到50Km/h。碳纖維制動盤可承受2500℃的高溫，且性能穩定。應用實例：Porsche AG等車採用碳纖維制動盤，能在50m內將車速從300km/h降到50km/h。

圖 碳纖維剎車盤4. 碳纖維在內外飾中的應用碳纖維複合材料具有較好的強度、韌性、耐熱性和耐老化性，可改善傳統塑料製品脆性高、耐久性不好的缺點，作為汽車內飾材料使用。碳纖維複合材料還具有較高的強度和剛性、較好的抗衝擊性，可作為金屬材料的替代品運用於汽車外飾構件。同時，碳纖維複合材料具有較好的吸振效果，對撞擊有較大的緩衝作用，且減少撞擊碎片的產生，提高了安全性。此外，碳纖維內外飾材料的使用，除了達到汽車輕量化效果，還簡化了零件製造工藝，降低了零件加工、裝配、維修費用，降低生產成本。應用實例：寶馬M4配備了碳纖維質地的前後保險杠。改裝版賓士G50在外部套件、內外飾等多處使用碳纖維複合材料，在減重的同時動力也得到升級。

圖 碳纖維內飾5. 碳纖維在傳動軸中的應用汽車傳動軸的受力情況比較複雜，尤其要承受很大的扭矩，對材料性能要求較高。碳纖維增強複合材料具有各向異性、比強度高和比模量相對較低的特點，替代金屬材料作為傳動軸可較好的滿足使用需求。碳纖維傳動軸不僅可減輕重量60%，而且具有更好的耐疲勞性和耐久性。應用實例：豐田86碳纖維傳動軸僅5.53kg，減重50%。蘭博基尼第六元素概念車使用碳纖維活塞連桿取代鋼製連接件，重量減輕40%-50%。

圖 碳纖維傳動軸6. 碳纖維在進氣系統中的應用碳纖維複合材料作為汽車進氣系統材料，一方面可減輕重量，達到輕量化的效果；另一方面，碳纖維材料易加工成各種曲面形狀，且表面較為光滑，可有效提高進氣效率。應用實例：福特FalconXR6 Sprint轎車採用100%碳纖維製造的進氣系統。碳纖維進氣管重235克，而塑料進氣管則為438克。寶馬E82 135i配備的碳纖維高流量進氣系統，使用高規格製程的雙面碳纖維風箱與管路，可有效隔絕熱源，提供了更穩定的冷空氣來源，提升燃燒效率，釋放高轉速馬力。

圖 碳纖維進氣歧管三、碳纖維將對汽車行業帶來革命性改變碳纖維複合材料在汽車輕量化上的應用潛力巨大，擁有其他材料不可比擬的密度、比強度、比模量等全方位力學性能，成本、製造工藝及技術等主要瓶頸不斷實現突破下，未來碳纖維複合材料將在汽車產業迎來飛速發展。尤其是新能源汽車將成為碳纖維應用突破，未來五年碳纖維在汽車工業將迎來巨大的市場需求。

圖 對車用碳纖維市場的預測分析碳纖維在汽車領域的應用比例將持續增長，其材料的特殊性必將對未來汽車行業帶來革命性的改變。生產過程：採用一體成型技術，新材料高度集成設計，減少零部件數量和模具數量，減少零部件連接等工序，縮短生產周期。特殊的成型工藝及連接工藝取代傳統汽車製造的衝壓、焊裝工藝；售後維修：「剪切式」維修，維修過程中將破損部件換上一個新的總成即可完成修復，避免了傳統車輛維修中的「鈑金」工藝；整車結構：整車模塊化程度更高。由目前的乘員艙模塊向其它部件擴散，減少整車組成；外觀油漆：碳纖維特殊的外觀顏色，對傳統的油漆產業也會造成衝擊，未來會針對碳纖維材料設計一系列新的油漆。2017年，一覽眾諮詢將陸續發布《新能源汽車產業鏈重點企業深度調研報告》。企業深度報告針對零部件細分市場，包括動力電池、電動系統、電機及驅動系統、充電環節、電子元器件等領域。
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