碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高強(qiáng)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(jī)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(chē)主結(jié)構(gòu)――車(chē)身、底盤(pán)最輕的材料，受到汽車(chē)工業(yè)廣泛重視。但由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的價(jià)格昂貴，嚴(yán)重影響其在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用。因此，發(fā)展廉價(jià)的碳纖維和高效率碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的生產(chǎn)方法和工藝已成為汽車(chē)輕量化材料研究中的關(guān)鍵課題，美國(guó)、日本等已將其列為汽車(chē)輕量化材料的研究計(jì)劃。
隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，減少燃料消耗和降低對(duì)環(huán)境的污染已成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。汽車(chē)的燃料消耗和CO2廢氣的排放量與汽車(chē)重量存在密切的關(guān)系，美國(guó)能源部相關(guān)研究表明，美國(guó)現(xiàn)有的汽車(chē)，如減重25％，每天可節(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(chē)輕量化已成為汽車(chē)工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要方向。除了對(duì)汽車(chē)各種零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)外，采用高性能輕質(zhì)材料是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的一條重要途徑。如選用鋁、鎂、鈦、高強(qiáng)度鋼、工程塑料和復(fù)合材料等，用以制造汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件，可以有效的減輕汽車(chē)自重，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。
碳纖維及復(fù)合材料的性能特點(diǎn)
碳（石墨）纖維是以有機(jī)纖維――聚丙烯晴（PAN）纖維、粘膠纖維、瀝青纖維等原絲經(jīng)過(guò)預(yù)氧化、碳化、石墨化等高溫固相反應(yīng)工藝過(guò)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(qiáng)度和彈性模量（剛性）。它的比重一般為1.70～1.80g/cm3，強(qiáng)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(fù)值（～1.5×10-6）。各種類(lèi)型的碳纖維性能見(jiàn)表1。
碳纖維同時(shí)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(jìn)復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)纖維，可以用來(lái)增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(guò)基體、纖維的選擇、碳纖維含量和分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)做成性能能夠滿(mǎn)足多種要求的各種高性能構(gòu)件，滿(mǎn)足航天航空、電子信息、汽車(chē)等領(lǐng)域的需求。圖2是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鋼、鋁、鈦等常用工程材料的強(qiáng)度、比模量的比數(shù)，可見(jiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量高出常用材料數(shù)倍，特別是碳纖維增強(qiáng)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(qiáng)聚合物基復(fù)合材料有足夠的強(qiáng)度和剛度，其適于制造汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)等主要結(jié)構(gòu)件的最輕材料。預(yù)計(jì)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)減輕重量40～60％，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)重量的1/3～1/6。英國(guó)材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室曾對(duì)碳纖維復(fù)合材料減重效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明碳纖維增強(qiáng)聚合物材料車(chē)身重172kg，而鋼制車(chē)身重量為368kg，減重約50％。并且當(dāng)生產(chǎn)量在2萬(wàn)輛以下時(shí)，采用RTM工藝生產(chǎn)復(fù)合材料車(chē)身成本要低于鋼制車(chē)身。但由于碳纖維成本過(guò)高，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車(chē)中的應(yīng)用有限，僅在一些F1賽車(chē)、高級(jí)轎車(chē)、小批量車(chē)型上有所應(yīng)用，如BMW公司的Z-9、Z-22的車(chē)身，M3系列車(chē)頂蓬和車(chē)身，GM公司的Ultralite車(chē)身，福特公司的GT40車(chē)身、保時(shí)捷911 GT3承載式車(chē)身等。
為提高碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的用量，美國(guó)、歐洲、日本等通過(guò)加緊研究廉價(jià)碳纖維的原絲（高品級(jí)聚丙烯晴絲）和碳纖維的低成本、高速率的生產(chǎn)工藝，使碳纖維的價(jià)格降低到約3美元/磅。目前碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已用于賽車(chē)、重卡、混合動(dòng)力車(chē)的各種零部件的生產(chǎn)。
碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)中廣泛應(yīng)用的障礙和解決途徑
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車(chē)中的應(yīng)用目前存在一些技術(shù)障礙和問(wèn)題急需研究解決。
1. 成本問(wèn)題。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所用的纖維和基體材料價(jià)格高，是該材料在汽車(chē)工業(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(guó)正在研究以紡織商品級(jí)的聚丙烯晴絲為原絲并能夠快速生產(chǎn)廉價(jià)碳纖維的工藝，可望將碳纖維的價(jià)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(chē)零部件的生產(chǎn)方法。
需研究法政能夠生長(zhǎng)多種形狀和性能的汽車(chē)零部件工藝方法，由于汽車(chē)行業(yè)特點(diǎn)，要求工藝成本要低，生產(chǎn)率要高。研究發(fā)展高效、低成本的復(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(chē)零部件的回收再利用問(wèn)題。
碳纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的回收尚存在一定問(wèn)題，有待解決。
5. 復(fù)合材料汽車(chē)零件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)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(qiáng)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(chē)自重達(dá)40～60％，對(duì)汽車(chē)輕量化具有十分重要的意義，已成為汽車(chē)輕量化材料的重要發(fā)展方向。目前碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的價(jià)格仍比較昂貴，大批量、高效率生產(chǎn)汽車(chē)零部件的工藝方法仍需要進(jìn)一步發(fā)展、完善。這些因素使得碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車(chē)中的應(yīng)用還有限。國(guó)際上已將碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)中的應(yīng)用列為汽車(chē)輕量化材料發(fā)展計(jì)劃的關(guān)鍵內(nèi)容，并取得了重大進(jìn)展，預(yù)期在2010年碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料將在汽車(chē)中大量應(yīng)用。
（轉(zhuǎn)載）
