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碳(石墨)纖維增強復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)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(fù)合材料，是先進復(fù)合材料最重要的增強體。碳纖維增強復(fù)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(dāng)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(fù)合材料的性能特點，及其在汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)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(zhì)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(jié)構(gòu)，精密的零部件配合運轉(zhuǎn)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(chǔ)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(shè)計理念，將先進的技術(shù)與創(chuàng)新的思維有效融合，并體現(xiàn)在具體的設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為設(shè)備穩(wěn)定運行提供了保證.

新結(jié)構(gòu) 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(zhuǎn)下的物料泄漏以及冷卻介質(zhì)污染等問題，安裝與更換方便快捷.

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

隨著汽車產(chǎn)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(chǎn)業(yè)發(fā)展和社會可持續(xù)發(fā)展急需解決的關(guān)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(guān)系，美國能源部相關(guān)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(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要方向。除了對汽車各種零部件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計和改進外，采用高性能輕質(zhì)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(fù)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(fù)合材料具有高強度、高模量，已在航天航空等領(lǐng)域廣泛使用，是制造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機的重要結(jié)構(gòu)零部件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。它也是適用于制造汽車主結(jié)構(gòu)――車身、底盤最輕的材料，受到汽車產(chǎn)業(yè)廣泛重視。但由于碳纖維增強復(fù)合材料的價格昂貴，嚴(yán)重影響其在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。因此，發(fā)展廉價的碳纖維和高效率碳纖維增強復(fù)合材料的生產(chǎn)方法和工藝已成為汽車輕量化材料研究中的關(guān)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(fù)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(jīng)過預(yù)氧化、碳化、石墨化等高溫固相反應(yīng)工藝過程制備而成，由有擇優(yōu)取向的石墨微晶構(gòu)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(dǎo)熱、導(dǎo)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(fù)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(fù)合材料；增強鋁、鎂、銅等金屬組成碳/鋁、碳/鎂、碳/銅等金屬基復(fù)合材料；增強碳、陶瓷組成耐高溫的陶瓷基復(fù)合材料。碳纖維復(fù)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(shè)計做成性能能夠滿足多種要求的各種高性能構(gòu)件，滿足航天航空、電子信息、汽車等領(lǐng)域的需求。圖2是碳纖維增強復(fù)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(fù)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(fù)合材料的力學(xué)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(fù)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(jié)構(gòu)件的最輕材料。預(yù)計碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車車身、底盤減輕重量40～60％，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)重量的1/3～1/6。英國材料系統(tǒng)實驗室曾對碳纖維復(fù)合材料減重效果進行研究，結(jié)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(dāng)生產(chǎn)量在2萬輛以下時，采用RTM工藝生產(chǎn)復(fù)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(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用有限，僅在一些F1賽車、高級轎車、小批量車型上有所應(yīng)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(fù)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(chǎn)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(fù)合材料已用于賽車、重卡、混合動力車的各種零部件的生產(chǎn)。

碳纖維復(fù)合材料在汽車中廣泛應(yīng)用的障礙和解決途徑

碳纖維增強復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用目前存在一些技術(shù)障礙和題目急需研究解決。
1. 本錢題目。碳纖維增強復(fù)合材料所用的纖維和基體材料價格高，是該材料在汽車產(chǎn)業(yè)廣泛使用最大的障礙。生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)效率的碳纖維復(fù)合材料汽車零部件的生產(chǎn)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(chǎn)率要高。研究發(fā)展高效、低本錢的復(fù)合材料零件生產(chǎn)工藝意義重大。
3. 缺乏復(fù)合材料的快速、大批量連接技術(shù)。
4. 復(fù)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(fù)合材料的回收尚存在一定題目，有待解決。
5. 復(fù)合材料汽車零件的設(shè)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(fù)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(yīng)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(fù)合材料的價格仍比較昂貴，大批量、高效率生產(chǎn)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(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用還有限。國際上已將碳纖維復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用列為汽車輕量化材料發(fā)展計劃的關(guān)鍵內(nèi)容，并取得了重大進展，預(yù)期在2010年碳纖維增強復(fù)合材料將在汽車中大量應(yīng)用。