隨著新能源汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，對于汽車輕量化要求日益增高。
在眾多材料中，碳纖維復(fù)合材料以其優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度、耐腐蝕及抗疲勞性能日益為人們所重視。而碳纖維材料與金屬材料之間的不同特點，也為工程設(shè)計人員提供了不同的設(shè)計思路，以下將簡單對比碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬的特點與差異性。
01.比剛度和比強(qiáng)度：
對比金屬材料，碳纖維材料重量輕，比強(qiáng)度及比剛度高。下表給出正交鋪層（Cross-Ply）纖維復(fù)合材料跟常規(guī)材料力學(xué)性能的比較。可以看出在模量和強(qiáng)度方面?zhèn)鹘y(tǒng)碳鋼表現(xiàn)都非常好，但密度大嚴(yán)重影響輕量化應(yīng)用。6系鋁的模量和強(qiáng)度小于碳鋼，但其密度較小。而樹脂基碳纖維模量高于鋁合金，強(qiáng)度通過設(shè)計可達(dá)到高強(qiáng)鋼水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁合金，在性能和輕量化兩方面優(yōu)勢都非常明顯。
02.可設(shè)計性：
金屬材料通常呈各項同性，有屈服或條件屈服現(xiàn)象。而單層碳纖維具有明顯的方向性。單層板沿纖維方向力學(xué)性能高于垂直纖維方向性能和縱橫剪切性能1~2個量級，并且應(yīng)力應(yīng)變曲線在斷裂前呈線彈性關(guān)系。
因此，碳纖維材料可以通過層合板理論，選擇單層的鋪設(shè)角、鋪層比、鋪層順序。可根據(jù)載荷分布特點，針對性設(shè)計來獲得需要剛度和強(qiáng)度性能，而傳統(tǒng)金屬材料只能通過加厚來實現(xiàn)。同時，層合板性能裁剪設(shè)計不僅可以獲得所需的面內(nèi)剛度和強(qiáng)度性能，還可以獲得獨特的面內(nèi)與面外之間的耦合剛度。
03.耐腐蝕性：
相比較于金屬材料，碳纖維材料具有很強(qiáng)的耐酸堿腐蝕的能力。
碳纖維是經(jīng)過2000—3000℃高溫石墨化處理形成的類似石墨晶體的微晶結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)本身就具有很高的耐介質(zhì)腐蝕性，在高達(dá)50％的鹽酸、硫酸或者磷酸中亦能在彈性模量、強(qiáng)度和直徑等方面基本保持無變化。
因此，作為增強(qiáng)材料來說，碳纖維在耐腐蝕性能方面有足夠的保證，不同基體樹脂在耐腐蝕性上有所區(qū)別。
如常見的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基，環(huán)氧樹脂的耐候性較好，仍能較好地保持強(qiáng)度。
04.抗疲勞性：
碳纖維復(fù)合材料的疲勞特性主要影響因素是壓縮應(yīng)變和高應(yīng)變水平。
疲勞性能通常進(jìn)行壓—壓（R=10）和拉—壓（R=-1）的疲勞試驗，而金屬材料一般進(jìn)行R=0.1的拉—拉疲勞試驗。
相比于金屬零件，尤其是鋁合金，碳纖維零件具有優(yōu)異的疲勞性能。
在汽車底盤等抗疲勞性要求較高的領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料具有更好的應(yīng)用優(yōu)勢。
同時碳纖維材料幾乎不存在切口效應(yīng)。
大多數(shù)碳纖維層合板在整個壽命期內(nèi)，有切口試驗的S-N曲線與無切口試驗的S-N曲線相同。
05.可回收性：
目前成熟的碳纖維基體使用熱固性樹脂，當(dāng)固化交聯(lián)后很難再次提取利用，對環(huán)境造成較大影響。
因此碳纖維回收難是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一，也是大規(guī)模應(yīng)用亟需解決的技術(shù)難題。目前國內(nèi)外大部分回收方法普遍成本較高，難以產(chǎn)業(yè)化。
華特碳纖正積極探索可回收料解決方案，已完成多個樣品的試制，回收效果良好，具備量產(chǎn)條件。
的確，相比傳統(tǒng)金屬，碳纖維材料在力學(xué)性能、輕量化、可設(shè)計性、抗疲勞性上具有得天獨厚的優(yōu)勢，但是，其生產(chǎn)效率、回收難確實是制約其進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸所在。隨著技術(shù)不斷創(chuàng)新突破，相信在未來，碳纖維能更好的在汽車上運用。
來源：碳纖維研習(xí)社
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