科研一角碳纤维复合材料在汽车改装领域的应用

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摘要

随着国家政策的逐步放开，汽车后市场改装的可行性进一步提升。碳纤维复合材料所具有的轻量化特征，及其体现出的强烈科技感，使得碳纤维车用改装件成为汽车改装领域的一个重要分支。汽车改装领域将成为继轨道交通领域之后，又一个碳纤维产品得以施展拳脚的重要市场。

汽车改装在世界

相比于发展中国家，在发达国家，汽车改装文化更为盛行，一方面是由经济基础决定的，另一方面在于领先的汽车制造技术和深厚的汽车文化底蕴。在欧美日等传统汽车强国，许多汽车公司有其专属配套的改装机构，比较著名的包括奔驰的AMG，宝马的M PERFORMANCE，奥迪的ABT，以及为日系车配套的TRD、NISMO等。

从地域板块来看，主要分为三个板块：首先是欧洲板块，这部分的汽车改装，更多地延伸了原厂品牌文化的特色，欧洲很多汽车公司都有自己认证的改装厂，使得这类改装依旧保留浓重的品牌色彩；其次是北美板块，车辆的改装是完全的个性化定制，甚至可以彻底脱离原车框架，对性能和外观造型进行全面改装；第三即亚洲板块，虽然拥有最先进的软硬件技术，改装后的汽车也具有相当高的实用性，但尚没有得到法律支撑，依然以地下工厂的形式运作着。

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碳纤维化改装的优势和劣势

1.优势

碳纤维是一种含碳量高于90%的无机高分子纤维，是高端纤维增强材料之一。碳纤维复合材料相比传统金属材料具有密度低、比模量高、比强度高、耐疲劳性好、耐化学腐蚀、热膨胀系数小、导热性好等优点。

碳纤维复合材料应用在车辆上可以有效降低整车重量，一来可以提升车辆的加速性能，二来可以达到节能环保的效应。数据显示，若将车体重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽车整备质量每减少100千克，百公里油耗可降低0.3～0.6升。随着《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》的发布，通过减重的方式提升燃油经济性成为众多汽车厂商优先选择的方式。

除了上述优点外，碳纤维复合材料还具有出色的耐热性及出色的抗热冲击性，这使得它成为了发动机罩的理想材料；另外它的热膨胀系数很低，使得车辆在高热情况下运转也不会带来变形；优秀的抗腐蚀与辐射性能也是普通钢材料不可比拟的。

2.劣势

碳纤维改装的主要劣势体现在两方面，一是成本较高，二是碳纤维行业与汽车行业规则上的不同和对接。

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碳纤维材料改装应用

1.车身外构件

车身外构件是目前碳纤维材料最多运用的地方，诸如引擎盖、车顶、车门、扰流板等构件经常可以看到碳纤维复合材料的身影。碳纤维复合材料拥有更高强度和模量，使其在同等结构强度条件下，重量仅为普通钢材的40%左右，应用后能够大幅降低车体重量，有效提高车辆动力学性能，在竞速车辆中体现的尤为明显。

2.刹车片

碳纤维复合材料能够承受1000℃以上高温，同时有别于传统金属材料，碳纤维复合材料不存在热损耗的问题，使其拥有非常出色的稳定性。该类产品已经大量营运于F1和GT系列竞赛汽车上。

3.轮毂

英国Kahm公司使用CFRP制得的RX-X型高级汽车专用轮毂，质量仅为6kg，可高速行驶，并可最大限度地降低车轮的径向惯性力；瑞典Koenigsegg公司2013款Agera R型跑车搭载的世界上第一个中空、一片式碳纤维轮毂，在降低约20kg的簧下质量的同时，依然保证良好的安全和抗冲击性能。

4.传动轴应用

碳纤维增强复合材料所具备的各向异性、比强度高和比模量相对较低的特点，在传动轴产品上得以充分发挥。与普通钢材相比，质量可以减轻一半以上；在同等重量和直径的条件下，扭矩力可以达到钢材的170%以上；另外，碳纤维传动轴在有效降低传动轴重量的情况下，将拥有更好的耐疲劳性和耐久性。BMW是碳纤维车辆零部件的坚定支持者和引领者，不同于科尼塞克等高端跑车，BMW已经降低了碳纤维零部件的准入门槛。新一代7系轿车，M4跑车以及i3，i8跑车就大量使用了碳纤维技术。新7系的“Carbon Core高强度碳纤维内核车身”在车顶横梁结构以及B柱和C柱、底部侧围、中央通道和后部支撑起到控制体重关键的作用，使得全新730Li领先型车重只有1830kg；i3跑车则采用了纯碳纤维座舱设计，该座舱是宝马与德国SGL碳纤维公司合资建立全新工厂，以高度自动化方式生产的；宝马致力于将碳纤维在车身上比例再进一步提高，比如全碳纤维方向盘以及像是新款M3/M4所使用的碳纤维传动轴；进一步，宝马已经完成了碳纤维轮圈的制造布局，预计在若干年内这些碳纤维轮圈就会出现在市场上。宝马制成的碳纤维轮圈将比锻造铝圈轻35%，这将使车身重量大幅减少。

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结论

碳纤维零件已经成为汽车轻量化研究的一个主要方向，未来几年内，车用金属零件将更多地被碳纤维复合材料零件所替代，碳纤维零部件也将更多地出现在汽车改装领域。但我们也必须深刻认识到碳纤维产品小批量、高附加值生产模式所带来的高成本，这将会是阻碍碳纤维复合材料零件快速市场化的一个重要因素。优化制造模式，提升制造效率，降低碳纤维零件生产成本，将成为碳纤维制造领域的一个重要课题。