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PLASTl(SFEATURES

碳纤维增强复合材料在汽车上应用的新进展

综述了碳纤维及其增强复合材料的发展概况、结构与性能及先进的工艺方法；分析了各
种碳纤维增强复合材料在汽车上应用的新进展和存在的问题。碳纤维增强复合材料在汽车工
业上的应用前景是非常可观的，要得到广泛的应用还需要将降低碳纤维生产成本和加大技术

研究力度相结合。

●吉林大学材料科学与工程学院曹永友李青青王强

碳纤维是用分解温度低于熔融性能优异的聚丙乙烯腈(PAN)基晶体由大约12~30个碳原子层面组
温度的纤维聚合物，通过1000。C碳纤维；2O世纪70年代开始生产中成。层面趋向沿碳纤维轴向排列
以上固相热解而制成的纤维状的碳间相沥青基碳纤维，其模量更高。因而其轴向的强度高、模量大．而
素材料。碳纤维的含碳量在90％PAN基碳纤维是目前产量最大(约径向强度和模量相对较低。在PAN
以上，具有十分优异的力学性能，占全部碳纤维产量的90％)的一种基碳纤维中，碳原子层严格平行的
与其它高性能纤维相比，具有较高碳纤维。各向同性沥青基碳纤维虽区域很小较大范围内的碳原子层
的比强度和比模量，在2000。C以然原材料便宜，但性能差；中间相之间交互缠绕．呈乱层排列状态。
上高温惰性气体环境中．碳纤维是沥青基碳纤维性能优异。但工艺过中间相沥青基碳纤维中碳原子层的
唯一一种强度不下降的材料。此程复杂因而价格较高。择优取向排列很明显，尤其在经过
外，碳纤维还具有其他多种优良性按力学性能分类．碳纤维高温处理后。由于中间相沥青基碳
能：低密度、耐高温、耐腐蚀、耐通常分为超高模量碳纤维(E纤维强烈的．光学各向异性，在偏光
摩擦、抗疲劳、高振动衰减性、低>450GPa)、高模量碳纤维光学显微镜下与PAN基碳纤维的截
的热膨胀系数、导电导热性、电磁(E=350-450GPa)、中模量碳纤面有明显区别。生产碳纤维增强复
屏蔽性、纺织加工性优良。碳纤维维(E=200-350GPa)、低模量合材料使用的原料及具体处理工艺
增强复合材料用于汽车工业有很多高强度碳纤维{E<100GPa，抗拉等因素都会影响碳纤维的结构。
优势，如减轻汽车质量、提高燃油强度大于3．0GPa)、超高强度碳纤1．2碳纤维的性能
经济性；可设计性强；零部件一体维(抗拉强度大于4．5GPa)及通用各种类型的碳纤维的性能见表

化，从而降低制造成本、缩短开发级碳纤维(E<100GPa抗拉强度1。
周期；提高耐冲击和安全性；优良1GPa左右)。通常PAN基碳纤维碳原子的择优取向与碳纤维的
的耐腐蚀性和耐化学药品性等。的强度高，中间相沥青基碳纤维的弹性模量有密切的关系，见图1。择
模量高。各向同性沥青基碳纤维和优取向角度为0。时碳原子层与碳纤维
1碳纤维及其复合材料的发
一些PAN基碳纤维属于通用级碳纤轴向完全一致：择优取向角度为90。
展概况
维。含碳量高于99％的碳纤维又称时碳原子层垂直于纤维的轴向。
基于宇航领域对高强度、高模之为石墨纤维。高模量碳纤维有很好的择优取
量、低密度材料的迫切需求，日本1．1碳纤维的结构向。热处理温度和碳纤维种类对择
人A．Shindo于20世纪50年代首先发碳纤维是由许多微晶体堆砌而优取向有明显的影响。热处理温度
明了用聚丙烯腈纤维(PAN)制造成的多晶体．微晶体的厚度为4～越高择优取向角度越小。中间相
碳纤维；20世纪6O年代出现了力学10nm长度为10-25nm，每个微沥青基碳纤维通常I：LPAN基碳纤维

54I汽车工艺与材f-'l-ATSd~2008年第10期
I
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800寸稳定性要求极为严格的场合。瓷基复合材料。
700
碳纤维沿轴向的电阻率很小，
6002碳纤维复合材料在汽车上
0500有时利用其导电性，将其用于电磁屏
400应用的新进展
300蔽、消除静电等。碳纤维径向方向力
200
汽车工业采用玻璃纤维复合材
10O学性能差，导电和导热性能也差。
0碳纤维耐多种酸、碱及有机溶料、碳纤维复合材料替代金属材料

择优取向角度／(。)剂的腐蚀。碳纤维在2000。C以上的是提高汽车性能、实现汽车轻量化的
图1沥青基碳纤维模量与择优取向角度惰性气氛中仍具有室温下的强度，有效途径之一。选用碳纤维复合材料
之间的关系但其耐氧化性能差．500。C以上就制作结构件、覆盖件，可减轻质量达

更易于获得高取向、高模量。超高模发生明显氧化，因而高温氧化气氛30％左右。随着碳纤维价格的不断降
量碳纤维通常由中间相沥青基碳纤维中使用的碳纤维或其复合材料应采低使用碳纤维复合材料的车型不
制备。有的模量已达900GPa。取有效的防氧化措施。断涌现(尤其适合小批量、多品种车
中间相沥青基碳纤维模量高．但碳纤维的摩擦性能好，由碳纤型)．很多汽车制造厂商生产的高
其强