碳纖維復合材料與傳統金屬的性能對比

核心提示：隨著新能源汽車行業的不斷發展，對于汽車輕量化要求日益增高。在眾多材料中，碳纖維復合材料以其優異的比強度、比剛度、耐腐蝕及隨著新能源汽車行業的不斷發展，對于汽車輕量化要求日益增高。在眾多材料中，碳纖維復合材料以其優異的比強度、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，也為工程設計人員提供了不同的設計思路，以下將簡單對比碳纖維復合材料與傳統金屬的特點與差異性。  01 比剛度和比強度  對比金屬材料，碳纖維材料重量輕，比強度及比剛度高。下表給出正交鋪層（Cross-Ply）纖維復合材料跟常規材料力學性能的比較。可以看出在模量和強度方面傳統碳鋼表現都非常好，但密度大嚴重影響輕量化應用。6系鋁的模量和強度小于碳鋼，但其密度較小。而樹脂基碳纖維模量高于鋁合金，強度通過設計可達到高強鋼水平，遠遠高于鋁合金，在性能和輕量化兩方面優勢都非常明顯。
 
 02 可設計性  金屬材料通常呈各項同性，有屈服或條件屈服現象。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，并且應力應變曲線在斷裂前呈線彈性關系。   因此，碳纖維材料可以通過層合板理論，選擇單層的鋪設角、鋪層比、鋪層順序。可根據載荷分布特點，針對性設計來獲得需要剛度和強度性能，而傳統金屬材料只能通過加厚來實現。同時，層合板性能裁剪設計不僅可以獲得所需的面內剛度和強度性能，還可以獲得獨特的面內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的耐酸堿腐蝕的能力。碳纖維是經過2000—3000℃高溫石墨化處理形成的類似石墨晶體的微晶結構，這種結構本身就具有很高的耐介質腐蝕性，在高達50％的鹽酸、硫酸或者磷酸中亦能在彈性模量、強度和直徑等方面基本保持無變化。因此，作為增強材料來說，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別。如常見的碳纖維增強環氧樹脂基，環氧樹脂的耐候性較好，仍能較好地保持強度。  04 抗疲勞性  碳纖維復合材料的疲勞特性主要影響因素是壓縮應變和高應變水平。疲勞性能通常進行壓—壓（R=10）和拉—壓（R=-1）的疲勞試驗，而金屬材料一般進行R=0.1的拉—拉疲勞試驗。相比于金屬零件，尤其是鋁合金，碳纖維零件具有優異的疲勞性能。在汽車底盤等抗疲勞性要求較高的領域，碳纖維復合材料具有更好的應用優勢。同時碳纖維材料幾乎不存在切口效應。大多數碳纖維層合板在整個壽命期內，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，當固化交聯后很難再次提取利用，對環境造成較大影響。因此碳纖維回收難是產業發展的瓶頸之一，也是大規模應用亟需解決的技術難題。目前國內外大部分回收方法普遍成本較高，難以產業化。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，具備量產條件。  結論   相比傳統金屬材料，碳纖維材料在力學性能、輕量化、可設計性、抗疲勞性上具有得天獨厚的優勢，但是，其生產效率、回收難仍然是制約其進一步應用的瓶頸所在。相信隨著技術、工藝方面突破創新，碳纖維能夠在汽車上將取得越來越多的應用。  

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