一文盘点汽车工业用碳纤维、芳纶、石墨烯的特性及应用

发布者：闲云悠雨 2023-7-20 10:21

现如今，能源效率变得越来越重要，汽车行业也正在实施新的汽车制造技术，并寻找创新材料，使汽车更安全、更轻。除了碳纤维和凯夫拉等航空航天工业使用的解决方案外，创新的泡沫塑料可能是一个有趣的选择。

碳纤维的特性及其在汽车工业中的应用

碳纤维的拉伸强度是高级钢的四倍，同时还具有极高的柔韧性，这使其在飞机、航天器和跑车等应用中得到了应用。汽车中使用碳纤维的最著名的例子是雷克萨斯LFA，它主体结构的65%使用了碳纤维。碳纤维的强度使其不仅可以用于制造车顶或后备箱盖等车身部件，还可以用于制造一些机械部件或内部部件，包括支柱或地板。

为了用碳纤维制造零件，需要使用与最终产品形状相对应的模具。这些可以用四种不同的方式加工：第一种技术也是最耗费人力的一步是铺设织物层，然后用树脂手工浸透；第二种方法涉及使用所谓的预浸渍，或用树脂预饱和的层；第三种技术是树脂转移成型，它包括用树脂在模具中压力填充已经放置好的织物层。

最后一种也是最快的方法称为C-SMC（碳纤维增强片材模塑化合物），包括将树脂与精细切割的纤维混合注入模具中。然而，使用这种方法制成的复合材料结构件的缺点是最终产品的强度较低。在上述任何一种技术中，生产的最后阶段都是在约180°C的温度下对碳纤维部件退火数小时。一旦树脂固化，就可以对零件进行机械加工。

碳纤维具有许多优异的性能，但许多人想知道它对人体健康的影响。成品、树脂涂层碳纤维制品是完全安全的。碳纤维只有在切割的制造阶段才会产生有害影响。切割产生纤维粉尘会引起皮肤刺激和损伤，从而导致进一步的感染。这就是为什么每天使用碳纤维产品的人都要穿上合适的防护服和配备特殊过滤器的口罩。

凯夫拉纤维的特性及其在汽车工业中的应用

Kevlar，也被称为芳纶纤维，它是20世纪60年代在美国偶然发明的一种合成聚合物。当时，一组研究人员正在寻找一种轻质高强的材料，来取代轮胎中的橡胶，从而减少汽油消耗。结果是发明了一种具有高度颗粒有序性的非常强的聚合物，比钢轻五倍多，抗拉强度高达3620MPa。

在汽车应用中，它广泛用于轻型赛车和高性能汽车车身的构造，但不仅如此，它也可以在流行的车型中找到，在这些车型中，它可以用于加固正时皮带和散热器软管等关键部件。在赛车运动中，它作为特殊衬片的一个组成部分，还具有保护离合器的重要功能。

Kevlar纤维摩擦衬即使在高温下也非常耐用，因此它可以轻松地将更多扭矩传递给大功率发动机，例如跑车或越野车中使用的发动机。它提供了比传统衬片更长的离合器寿命，因此建议在恶劣的操作条件下使用。

石墨烯、发泡聚丙烯在汽车工业中应用

石墨烯是一种超级材料，现代科学尚未充分探索其所有可能性。这种材料具有由碳元素组成的二维结构，形成完美的六边形图案，比碳纤维和Kevlar更轻、更坚固。一平方公里的石墨烯重量只有757克，但它非常灵活，具有优异的电学性能。它不仅是生产超轻机身的理想材料，而且在未来，它还可以用于生产高效电池，甚至卷式触摸屏显示器。目前，石墨烯在汽车行业的最新应用包括生产防腐汽车涂料、轮拱，以及轻型单座赛车的实验镀层。据说，用于生产这种材料的石墨烯比碳纤维轻20%，强度是钢的200倍。

在汽车工业的材料创新中，不可能缺少膨胀聚丙烯EPP，这种材料最初在建模和后来的汽车保险杠结构中获得了特别的认可。这种材料的轻质泡沫结构由95%的空气组成，因此EPP汽车部件比传统塑料制成的部件轻约50%，但它们非常坚固。机械阻力和最小重量的结合使EPP有时被比作碳纤维。它的一个重要特征就是所谓的形状记忆。它在撞击下不会永久变形，而是恢复到最初的形状。由于这一特点，它已经彻底改变了负责安全的部件的生产，如头枕、座椅底座、汽车支柱和车门面板。由于其优异的绝缘、声学和电学性能，该材料在电动汽车电池组的生产以及储氢方面也有着未来的应用。EPP部件的制造过程非常简单，只需发泡聚丙烯树脂，然后在低压下将泡沫注入模具。值得强调的是，从经济角度来看，该材料是工业大规模生产的最佳材料，并且在许多品种的原材料生产商中广泛可用。