碳纤维在交通工具制造业中的应用_碳纤维在汽车上的应用

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碳纤维在交通工具制造业中的应用

摘要

碳纤维的用途主要是利用其“轻而强”和“轻而硬”的力学特性，广泛应用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料；利用其尺寸稳定性，应用于宇宙机械、电波望远镜和各种成型品；利用其耐疲劳性，应用于直升飞机的叶片；利用其振动衰减性，应用于音响器材；利用其耐高温性，应用于飞机刹车片和绝热材料；利用其耐药品性，应用于密封填料和滤材；利用其电气特性，应用于电极材料、电磁波屏蔽材料、防静电材料；利用其生体适应性，应用于人工骨、韧带；利用其 X-光透过性，应用于 X-光床板等。此外，还可以活化成活性碳纤维，应用于各种吸附领域。

此文着重介绍碳纤维在交通工具制造业中的应用。

关键词

碳纤维：carbon fibre 碳纤维的应用 新材料 航空工具 汽车制造

正文

（一）碳纤维的的特点及其在各个领域中的应用

碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去20多年，它至今仍保持纤维形态。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。

碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。

碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2％。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。

碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

碳纤维的用途主要是利用其“轻而强”和“轻而硬”的力学特性，广泛应用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料；利用其尺寸稳定性，应用于宇宙机械、电波望远镜和各种成型品；利用其耐疲劳性，应用于直升飞机的叶片；利用其振动衰减性，应用于音响器材；利用其耐高温性，应用于飞机刹车片和绝热材料；利用其耐药品性，应用于密封填料和滤材；利用其电气特性，应用于电极材料、电磁波屏蔽材料、防静电材料；利用其生体适应性，应用于人工骨、韧带；利用其 X-光透过性，应用于 X-光床板等。

此外，还可以活化成活性碳纤维，应用于各种吸附领域。具体应用例如： ①钓鱼杆现年产量约1200万只，年碳纤维用量1200t；

②高尔夫球杆随着轻量化和长尺寸化的要求，现已占碳纤维体育用品用途的50％，年碳纤维用量为

2000t；

③网球拍的年市场规模约为450万只，年碳纤维用量约500t；

④飞机方面，小型商务机和直升飞机的复合材料用量已占70％一80％，军用机30％一40％，大型客机15％一20％；

⑤人造卫星结构体、太阳能电池板和天线要用高模碳纤维，先进的运载火箭和导弹壳体、发射筒等要用800H和 T300碳纤维等；

⑥土木建筑领域，已用于补修加工用片材、建筑部件、代钢筋材料、屋顶构架材料等

⑦能源领域，已用于汽车的压缩天然气罐和风车叶片(长达30-40m)、海底油田管道、升降机等；

⑧交通运输方面，已应用于赛车、汽车传动轴、大型卡车车体 ⑨电子电器领域，已应用于增强热塑性树脂的挤出成型品，如抗静电 IC盘、笔记本电脑的筐体，具有电磁波屏蔽效果；

⑩其它，还有X-射线盒、医用床板、印刷、制膜、造纸等用的各种滚轴、空气或氧气呼吸用压力容器等等

（二）碳纤维在汽车制造行业中的应用

轻型化汽车：碳纤维碳纤维只占到复合材料30%的重量，复合材料的制造方法主要来自低产量的航空技术，新的、大批量复合材料成型方法才是突破点。2010年SGL与宝马合资的碳纤维及复合材料厂在美国开工，根据宝马的测算，每台汽车大约需要90公斤的碳纤维，将来需要6万吨的碳纤维。

碳纤维在汽车行业需求前景：碳纤维复合材料传动轴、尾翼和引擎盖已经在汽车行业广泛应用，虽然现在主要是用在豪华车型，但预计未来将在大众车型中推广。日产汽车、本田汽车和东丽公司，将联手开发汽车车体用的新型碳纤维材料。合作企业还包括三菱丽阳和东洋纺织，使用后使车体较使用钢材者轻40%。日本政府亦支持该项计划,希望在全球开发环保车辆的趋势中取得领先地位。日本经济产业省计划未来五年投资这项计划20亿日圆(1850万美元)。

采用碳纤维材质将可改善车辆的燃料效能，并使二氧化碳排放减少30%。碳纤维制品多用于特殊领域，其使用寿命和更新周期均有严格要求，大量废弃的碳纤维产品急待处理。据日本三菱人造丝公司估计，目前全球废弃的CFRP大约为1万吨。随着CF生产能力的扩大及增强材料的大量使用，环境友好要求企业重视CF的回收利用。发达国家已开始了这项工作：德国Thuringian(TITK)研究所开发的新工艺，不采用撕切处理就能从废弃CF纺织品中获取长度≥20mm，一般长度为30mm～70mm的碳纤维；西班牙INASMET运输安全机构经过两年的研究试验，采用化学和热解处理技术开发了CF-环氧树脂复合材料回收再利用的新途径，其回收产品可用于一般的CFRP。据中国环氧树脂行业协会专家介绍，日本东丽公司、帝人公司(日本东京)，和三菱丽阳公司计划联手大规模生产循环碳纤维，以促进高强轻质材料的回收利用。汽车制造者将碳纤维视为轻质汽车材料，在东丽及一些其他公司的带动下，将进一步鼓励采用循环碳纤维，提高材料及零件可回收成分。关于碳纤维在汽车上的应用，首先在汽车车身、底盘的应用，由于碳纤维增强材料有足够强度和刚度，其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的最轻材料，可使汽车车身、底盘减重40～60％，相当于钢结构重量1/3～1/6；在制动摩擦片上的应用，碳纤维还因其环保、耐磨特点，而应用在制动摩擦片上，但含有碳纤维复合材料都格外贵，所以目前主要应用高档轿车；在座椅加热垫上的应用，碳纤维汽车座椅加热垫是一个突破，在汽车配套市场变得越来越受欢迎，将会完全替代传统的座椅加热系统；在轮毂上的应用，德国轮毂制造专家WHEEL SANDMORE，推出的“Megalight-Forged-Series”轮毂系列，采取2片式设计，外环为碳纤维材质打造、内毂为轻量化的合金，搭配不锈钢制的螺丝，较一般同尺码减轻重量40％左右；在燃料贮罐上的应用，采用CFRP在满足要求的条件下，可以实现压力容器的轻量化。

（三）碳纤维在民航中的应用

最近几年尤其在亚洲和欧洲，飞机乘客数量的增加促进了新飞机的需求增长。《空客全球市场预测》估计，2010～2025年间，飞机运营商将需要22700架客机和货机。这些OEM正引领着结构性复合材料用量的巨大增长，其中包括碳纤维，其最新的应用就是B787和A380飞机。航空航天领域是世界碳纤维的传统市场，根据世界第2大碳纤维生产商——日本东邦公司的预测，航空器中碳纤维复合材料的使用量，未来几年将以年均12％的速度继续增长，2012年可达13000吨。

A380为大型喷气式客机，其结构(包括主要结构)使用了22%的碳纤维复合材料。波音公司B787中碳纤维/环氧预浸料的唯一供应商是东京的东丽公司(Toray)，2家公司已经就Torayca预浸料签订了长达18年的供应合同，一直到2021年。据报道787主要结构的合同价值，高达20.3亿欧元(30亿美元)。新型超大型客机——空中客车A380和波音787，均大量使用环氧树脂浸渍碳纤维，或碳纤维增强塑料(CFRP)作为主要的结构材料。碳纤维复合材料约占A380飞机35吨结构材料中的20％以上，包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁；波音787中结构材料有近50%需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料，包括主机翼和机身。金属结构材料采用碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量，而且还可以保证不损失强度或刚度，大大提高了燃油经济性。新一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。空中客车公司日前宣布，碳纤维复合材料将在新一代喷气式客机A350XWB中用于主机翼和机身材料。碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。例如三菱重工计划利用碳纤维复合材料，制作新一代支线喷气客机MRJ主机翼和尾部组件，该机型预计在2013年进入市场。欧洲空中客车公司授予赫氏复材其远程宽体客机A350XWB主结构件的长期供应合同，此合同要求赫氏复材供应碳纤维复合材料直至2025年。