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1、《能源工程材料》課外拓展閱讀報告《碳纖維復合材料在汽車工業(yè)中的應用》姓名:XX指導教師:XX學號:XXXXXXXX專業(yè)班級:XXXXXXXX2016年6月碳纖維復合材料在汽車工業(yè)中的應用摘要:節(jié)能減排是當前汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展迫切需要解決的問題,采用碳纖維復合材料等輕質(zhì)材料使汽車輕量化是一個有效的解決辦法。介紹了碳纖維復合材料的性能特點和在汽車上的應用現(xiàn)狀,從材料、設計和成型工藝3個方面分析了其在國內(nèi)汽車工業(yè)應用中的問題,提出了促進碳纖維復合材料廣泛應用的發(fā)展建議,并展望了其在汽車工業(yè)中的應用前景。進入21世紀以來,能源危機日趨嚴重,世界各
2、國的排放法規(guī)日益嚴格,如何在保證安全性和動力性的前提下降低油耗和減少排放是目前汽車工業(yè)迫切需要解決的問題。采用各種輕質(zhì)材料取代金屬等傳統(tǒng)材料,使汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。碳纖維復合材料憑借輕質(zhì)、高強度、高剛度、抗振性能好、抗疲勞、耐腐蝕等眾多優(yōu)點[1]越來越受到汽車工業(yè)的重視,在汽車中的應用也越來越多。碳纖維及其復合材料是支撐國家高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料,經(jīng)過40多年的積累與發(fā)展,我國碳纖維及其復合材料研發(fā)擁有眾多突破性進展,但在汽車領(lǐng)域的應用還遠落后于航空航天和其他工業(yè)領(lǐng)域[2]。因此有必要分析碳纖維復合材料在我國汽車工業(yè)應用
3、中存在的問題,提出合理的發(fā)展對策,以適應汽車工業(yè)對材料發(fā)展的迫切需求。1.碳纖維復合材料的性能特點和使用優(yōu)勢與金屬材料相比,碳纖維復合材料具有許多優(yōu)良性能,應用于汽車上有明顯的優(yōu)勢,主要表現(xiàn)在:1)密度小,強度高,CFRP在常用材料中比強度和比模量最高,用于車身及底盤能在減輕車重的同時不損失強度或剛度,汽車安全系數(shù)不降低。2)韌性好,具有良好的抗沖擊性和能量吸收能力,用于車身及其結(jié)構(gòu)件具有良好的碰撞安全性。3)阻尼高,抗振性能好,用于車身、傳動系統(tǒng)及發(fā)動機部件具有良好的減振、隔音效果,提高了乘坐舒適性。4)抗疲勞性能極佳,用于承受疲勞載荷
4、的汽車零部件能有效延長其使用壽命。5)優(yōu)秀的耐熱性、抗腐蝕與抗輻射性能,在電動汽車和其他新能源汽車領(lǐng)域應用具有很強的競爭力。6)成型工藝多,可設計性好,易于實現(xiàn)零部件一體化生產(chǎn),極大縮短開發(fā)周期,節(jié)約成本。2.碳纖維復合材料在汽車上的應用碳纖維復合材料用于汽車部件上不僅可以實現(xiàn)汽車輕量化,而且在安全性與乘用舒適性等方面也有很大提高,因此越來越受到汽車工業(yè)的重視,很多汽車制造商生產(chǎn)的高檔、豪華轎車(如通用、寶馬、大眾、奔馳、福特、奧迪、本田、日產(chǎn)等)幾乎都開始試用或已經(jīng)采用了各種碳纖維復合材料。1)碳纖維復合材料應用于汽車車身、底盤及承力部
5、件,在保證安全性的同時具有十分明顯的減重效果。在各種材料制造的車身中碳纖維復合材料是最輕的,尤其是與鋼制車身相比,輕量化效果達53%以上。美國通用汽車公司1992年展出了由碳纖維復合材料制造車身的超輕概念車,車身質(zhì)量為191.0kg,整車質(zhì)量降低68%,節(jié)油40%。蘭博基尼汽車2011年推出了Mucilage替代車型,該車采用了全碳纖維復合材料單殼體車身,質(zhì)量僅有145.5kg。目前,碳纖維復合材料制成的車身結(jié)構(gòu)件已在德國寶馬公司開發(fā)的Z-9和Z-22系列中大量采用。德國大眾汽車公司的“2L車”CC1研究項目,碳纖維復合材料用于車身的比例
6、高達45%。通用汽車公司采用碳纖維復合材料制成的ChevroletCorvetteZ06紀念版轎車的發(fā)動機罩蓋,質(zhì)量僅9.3kg。福特和保時捷的發(fā)動機罩也全部采用了碳纖維復合材料,在安全性不降低的前提下獲得了極高的輕量化效果。2003年,戴姆勒克萊斯勒公司研制的DodgeViper跑車采用了碳纖維復合材料制造的擋板支架系統(tǒng),每個支架質(zhì)量僅1.93kg,4個復合部件總重6.1kg,與金屬擋板支架系統(tǒng)相比,質(zhì)量減輕了18kg,剛度提高了22%。此外,作為輕質(zhì)高強材料,碳纖維復合材料也可應用在高強度承力結(jié)構(gòu)件上,如碳纖維承重架、減振彈簧葉片等。
7、用碳纖維復合材料制造的板簧僅重14kg,比鋼制的輕76%。根據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會的報告,汽車質(zhì)量每減少10%,油耗可降低6%~8%,排放減少5%~6%,每降低消耗1L燃油,將減少2.45kg的CO2排放量,可見在汽車上使用碳纖維復合材料,提高燃油經(jīng)濟性,節(jié)能環(huán)保的作用非常明顯。1)碳纖維復合材料振動衰減系數(shù)大,吸振能力強,用于傳動系統(tǒng)和發(fā)動機部件,不僅能減輕車的質(zhì)量,還可以減少振動、降低噪聲,從而增加乘坐舒適度。奧迪Quattro系列、日本尼桑GTR和Fairladyz車型、阿斯頓·馬丁V8VantageCoupe車型和MazdaRX-8車型上
8、已大量使用了碳纖維復合材料制造的傳動軸?;谔祭w維復合材料在可靠性、耐久性和強度等方面的優(yōu)點,日本近年開始在制造汽車渦輪增壓器壓氣機葉輪時用其替代鋁合金,將葉輪質(zhì)量降低48%,從而使轉(zhuǎn)子慣量降