1碳纤维在汽车领域应用性能优点
(1)轻量化优点
碳纤维复合材料具有其他材料不可比拟的比强度和比模量,密度只有1.6g/cm3左右,远低于钢铁和铝,将其应用于车身及其它零部件的设计可降低整车质量的35%左右,降低燃油消耗,如大众新推出的采用碳纤维复合材料车身和零部件的XL1车型总质量只有795kg,结合混动技术,百公里油耗仅0.9升。
汽车材料性能对比
(2)耐久性优点碳纤维复合材料主要由碳纤维丝束和树脂材料组成,碳元素化学性质稳定,无需进行表面防腐处理,其耐候性及耐老化性极好,寿命一般为钢材的2-3倍。采用CFRP材料生产的功能性零部件的疲劳强度也远高于钢材。
节油器(3)安全性优点碳纤维复合材料的抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是普通钢材的5倍,
由碳纤维材料制作的驾驶舱在碰撞中变形极小,可有效保护驾乘者的生存空间。经特殊编织的碰撞吸能结构在高速碰撞中碎裂为较小的碎片,吸收大量撞击能量(能量吸收性为一般钢材的3倍以上),能有效提高车辆被动安全。2碳纤维在汽车主要部件应用现状
汽车轻量化和碳纤维应用关系表碳纤维复合材料目前已经在高端车、超跑、赛车、改装车、限量版车型以及少量的电动车上开始大量应用。 碳纤维复合材料应用领域和车型
目前,碳纤维复合材料在汽车零部件中的应用主要分布在汽车车身、内外饰、底盘系统、动力系统等等。(1)碳纤维在汽车车身中的应用
碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度,是制造汽车车身的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身减轻质量40%-60%,相当于钢结构质量的1/3-1/6。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究,结果表明,碳纤维增强聚合物材料车身重172 kg,而钢制车身质量为368 kg,减重约50%。目前赛车和部分改装车大多选用碳纤维复合材料车身,在降低重量的同时,因复合材料碰撞时减少了碎片的产生,从而提高了安全性。
应用实例:
宝马i3碳纤维座舱减重50%
通用超轻概念车采用碳纤维车身和底盘减重68%
通用汽车贷款>成都 限行斯巴鲁WRX STItS采用CFRP车顶,相比钢板减重80%
(2)碳纤维在汽车轮毂中的应用作为保证汽车行驶安全的重要部件之一,轮毂不仅要承受整车重量和载重,还要传递驱动和扭矩。这对汽车轮毂的质量要求极高。汽车轮毂要具有较高的强度和抗冲击性,较好的耐热和导热性以及较好的耐久性和安全性。碳纤维复合材料具有优异的力学性能、耐热性和耐久性,可替代金属作为轮毂材料。同时,碳纤维材料的使用使得轮毂质量得到降低,有助于减少车轮转动惯量,使车辆拥有更快的启动、停止以及转向速度。应用实例:
福特新一代野马Shelby GT350R配备了碳纤维轮毂。其重量仅为8.6kg,而一般铝合金轮毂重量要达到15kg。
瑞典柯尼赛格的Agera车型整个轮毂上除了轮胎气门嘴,其余部件均为碳纤维打造。在降低约20kg的簧下质量的同时,还保证了坚固和安全。
(3)碳纤维在刹车系统中的应用汽车制动器衬片主要使用石棉材料,制动时易摩擦产生高温,出现性能的热衰退,而产生的石棉粉尘有致癌危害。碳纤维复合材料的比强度高、耐磨性好、耐热性好,应用在汽车刹车片上,可作为石棉的替代品。碳纤维制动盘可以在50m内将车速由300KM/h降到50Km/h。碳纤维制动盘可承受2500℃的高温,且性能稳定。
应用实例:Porsche AG等车采用碳纤维制动盘,能在50m内将车速从300km/h降到50km/h。
(4)碳纤维在内外饰中的应用碳纤维复合材料具有较好的强度、韧性、耐热性和耐老化性,可改善传统塑料制品脆性高、耐久性不好的缺点,作为汽车内饰材料使用。碳纤维复合材料还具有较高的强度和刚性、较好的抗冲击性,可作为金属材料的替代品运用于汽车外饰构件。同时,碳纤维复合材料具有较好的吸振效果,对撞击有较大的缓冲作用,且减少撞击碎片的产生,提高了安全性。此外,碳纤维内外饰材料的使用,除了达到汽车轻量化效果,还简化了零件制造工艺,降低了零件加工、装配、维修费用,降低生产成本。应用实例:
摩托车油表不准宝马M4配备了碳纤维质地的前后保险杠
宝马i3电动车改装版奔驰G50在外部套件、内外饰等多处使用碳纤维复合材料,在减重的同时动力也得到升级。
(5)碳纤维在传动轴中的应用汽车传动轴的受力情况比较复杂,尤其要承受很大的扭矩,对材料性能要求较高。碳纤维增强复合材料具有各向异性、比强度高和比模量相对较低的特点,替代金属材料作为传动轴可较好的满足使用需求。碳纤维传动轴不仅可减轻重量60%,而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。
应用实例:
丰田86碳纤维传动轴仅5.53kg,减重50%
兰博基尼第六元素概念车使用碳纤维**连杆取代钢制连接件,重量减轻40%-50%。
(6)碳纤维在进气系统中的应用碳纤维复合材料作为汽车进气系统材料,一方面可减轻重量,达到轻量化的效果;另一方面,碳纤维材料易加工成各种曲面形状,且表面较为光滑,可有效提高进气效率。
应用实例:
福特FalconXR6 Sprint轿车采用100%碳纤维制造的进气系统。碳纤维进气管重235克,而塑料进气管则为438克。
宝马E82 135i 配备的碳纤维高流量进气系统,使用高规格制程的双面碳纤维风箱与管路,可有效隔绝热源,提供了更稳定的冷空气来源,提升燃烧效率,释放高转速马力。
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国外汽车轻量化用碳纤维复合材料发展现状
自1953年世界第 1 台纤维增强复合材料汽车——GM Corvette制造成功以后,复合材料正式在汽车工业生产中登上历史舞台。发展至今,CFRP成为目前公认的汽车用复合材料未来发展趋势。
德国宝马公司是CFRP在汽车领域应用的先驱,其在2008年宣布把CFRP带入汽车主流材料;2011年,法兰克福车展首次发布i3电动概念车和i8混动概念跑车;2014年,批量化生
产i3和i8系列纯电动车在全球正式上市,为碳纤维产品在通用汽车领域的商业化普及应用迈出了重要的一步。2015年7月1日,全新第六代BMW 7系汽车在丁格芬工厂正式投产,该车型所有创新都始终贯穿着车辆整体轻量化的概念,是宝马核心产品中第一款实现将工业制造的碳纤维材料、高强度钢材和铝材完美组合应用到车身的车型。
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