碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料( Carbon FiberReinforced Polymer，CFRP) 是作為增強(qiáng)材料的碳纖維和作為基體材料的樹脂組成，早期的碳纖維復(fù)合材料主要用于軍事領(lǐng)域。

隨著材料性能、成型工藝的提高及價(jià)格成本的下降，碳纖維復(fù)合材料被越來(lái)越多的應(yīng)用到一般工業(yè)和體育休閑等領(lǐng)域。在全球節(jié)能和環(huán)保趨勢(shì)的推動(dòng)下，汽車的油耗問(wèn)題越來(lái)越引起重視，輕量化設(shè)計(jì)成為汽車節(jié)能減排的有效途徑，而碳纖維復(fù)合材料的材料性能及發(fā)展趨勢(shì)正順應(yīng)了汽車工業(yè)的發(fā)展需求。

碳纖維復(fù)合材料比鋼鐵輕50%，比鋁材輕30%，減重效果明顯，因此不少汽車廠家在汽車制造和改裝過(guò)程中為追求極致輕量化開始嘗試大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料。隨著新能源汽車的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在汽車上將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

碳纖維復(fù)合材料部件的特點(diǎn)

1質(zhì)量輕強(qiáng)度高

汽車上常用的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的密度為1.5～2.0g/cm3，只有普通碳鋼1/4～1/5，比鋁合金還要輕1/3 左右，而且碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能優(yōu)于金屬材料，其抗拉強(qiáng)度高于鋼材3～4倍，剛度高于鋼材2～3倍，耐疲勞性高于鋼材2倍，重量比鋼材輕3～4倍，熱膨脹系數(shù)小4～5倍。

若按比強(qiáng)度計(jì)算，碳纖維復(fù)合材料大大超過(guò)碳鋼，而且可超過(guò)某些特殊的合金鋼，因此具有更高的比強(qiáng)度。使用碳纖維材料，在減輕車身質(zhì)量的同時(shí)，也可使功率需求更小，進(jìn)而采用更小的驅(qū)動(dòng)引擎和懸掛裝置，通過(guò)減少動(dòng)能而減少?zèng)_擊危險(xiǎn)，這種螺旋式的結(jié)果將使車身質(zhì)量進(jìn)一步減輕。因此用碳纖維材料件替換原來(lái)的鋼制件，其輕量化效果明顯。

2可設(shè)計(jì)性好

碳纖維復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性非常強(qiáng)，可以根據(jù)不同的用途要求，靈活地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受力情況，通過(guò)調(diào)整纖維的結(jié)構(gòu)及排列制成各向異性和不同厚度的制品，并且可以應(yīng)用夾層結(jié)構(gòu)，提高部件整體剛性，以達(dá)到最佳輕量化設(shè)計(jì)方案。

將碳纖維按照受力方向進(jìn)行排布，可充分發(fā)揮復(fù)合材料強(qiáng)度的各項(xiàng)異性從而達(dá)到節(jié)約材料和減輕重量的目的。而金屬材料由于其各向同性，會(huì)出現(xiàn)在滿足最大受力方向的技術(shù)要求之后，另一方向的強(qiáng)度就會(huì)過(guò)剩的問(wèn)題。

對(duì)于有耐腐蝕性能要求的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)時(shí)可選用耐腐蝕性能好的基體樹脂和增強(qiáng)材料，而對(duì)于其他一些性能要求，如介電性能、耐熱性能等，都可通過(guò)選擇合適的原材料來(lái)滿足。此外，為使產(chǎn)品成本達(dá)到可接受的程度，可適當(dāng)選用低成本材料替換，如不同纖維混合鋪層，在滿足部件性能指標(biāo)的同時(shí)節(jié)省材料成本。

3零部件一體化

汽車從節(jié)能角度考慮應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成空氣阻力最小的外形，同時(shí)兼顧其美觀性。鋼制薄板在沖壓成型時(shí)由于工藝原因?qū)е峦庑渭敖Y(jié)構(gòu)往往受到限制，而使用復(fù)合材料在成型時(shí)利用它的流動(dòng)性，比較易于制成各種形狀的曲面，達(dá)到一體化成型效果，更容易滿足空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的要求以及美觀方面的需要。

模塊化、整體化也是汽車結(jié)構(gòu)的一種發(fā)展趨勢(shì)，碳纖維復(fù)合材料通過(guò)合理的模具設(shè)計(jì)，可以把不同厚度的零件、凸起部、筋、棱等全部一體成型。因此，復(fù)合材料適合于制造鋼制薄板難于制造、生產(chǎn)效率低、難于保證精度的汽車零件。

如蓮花跑車以整車使用碳纖維材質(zhì)為目標(biāo)，將車身零部件輕量化、一體化，不僅減輕了車身重量，并且使得部件的剛度、強(qiáng)度大大增加，提高了整車性能。

4耐沖擊性

碳纖維復(fù)合材料表現(xiàn)的耐沖擊性也良好，以聚合物為基體的碳纖維復(fù)合材料具有一定的粘彈性力學(xué)性能，可以吸收一定的沖擊能量。

此外，基體材料和纖維界面上存在微裂紋和局部脫粘現(xiàn)象，碳纖維和基體之間有微小的局部相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)存在著摩擦力。

由于粘彈性和界面摩擦力的作用，使得振動(dòng)衰減系數(shù)大，因此在車輛受沖擊時(shí)能夠吸收大量的沖擊能量，有利于提高人身安全。

5耐腐蝕性能好

汽車上的許多零部件，都要承受機(jī)油、汽油、汽車傳動(dòng)液等化學(xué)制劑的腐蝕，以及高溫、嚴(yán)寒、鹽霧等惡劣環(huán)境，傳統(tǒng)金屬材料難以保證不同環(huán)境下的質(zhì)量一致性及使用壽命。

但碳纖維復(fù)合材料制品一般不存在生銹和腐蝕問(wèn)題。聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐酸性能、耐海水性能，也能耐堿、鹽和有機(jī)溶劑。因此，它是一種優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制造的汽車零部件具有較長(zhǎng)的使用壽命和極低的維修費(fèi)用。

6 碳纖維/熱塑性復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料所用的基體樹脂主要分為兩大類, 一類是熱固性樹脂, 另一類是熱塑性樹脂。熱固性樹脂由反應(yīng)性低分子量預(yù)聚體或帶有活性基團(tuán)高分子量聚合物組成;成型過(guò)程中, 在固化劑或熱作用下進(jìn)行交聯(lián)、縮聚, 形成不熔不溶的交聯(lián)體型結(jié)構(gòu)。在復(fù)合材料中常采用的有環(huán)氧樹脂、雙馬來(lái)酰酞亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂以及酚醛樹脂等。

熱塑性樹脂由線型高分子量聚合物組成, 在一定條件下溶解熔融, 只發(fā)生物理變化。常用的有聚乙烯、尼龍、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中, 碳纖維起到增強(qiáng)作用, 而樹脂基體則使復(fù)合材料成型為承載外力的整體, 并通過(guò)界面?zhèn)鬟f載荷于碳纖維, 因此它對(duì)碳纖維復(fù)合材料的技術(shù)性能、成型工藝以及產(chǎn)品價(jià)格等都有直接的影響，碳纖維的復(fù)合方式也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生影響。

7碳纖維增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料

短切碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料（SCFRTP)是工程材料中一個(gè)重要的組成部分。這類復(fù)合材料通常具有較好的機(jī)械性能、良好的經(jīng)濟(jì)效益并且可以通過(guò)熱壓成型、擠出成型或注塑成型的方法制造出各種形狀的產(chǎn)品。尼龍6是一種具有較廣的應(yīng)用領(lǐng)域的熱塑性樹脂材料，而填料增強(qiáng)改性是提升尼龍6復(fù)合材料性能較為常用且有效的改性方法。

碳纖維增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料（PA6/CF)的研究，在近年來(lái)受到了大量的關(guān)注。PA6/CF復(fù)合材料的性能受到許多因素的影響：加工方法與工藝，復(fù)合材料中碳纖維的含量與長(zhǎng)度，碳纖維的分散性及取向，碳纖維與PA6界面結(jié)構(gòu)及尼龍6與碳纖維本身的特性等。

然而，熱塑性復(fù)合材料的機(jī)械性能主要取決于聚合物基體的微觀結(jié)構(gòu)與纖維與基體的界面性能，因而對(duì)比分析復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能顯得尤為重要。

此外，PA6作為半結(jié)晶聚合物復(fù)合材料，PA6/CF的機(jī)械性能依賴于PA6基體的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與形貌，結(jié)晶結(jié)構(gòu)與形貌則取決于復(fù)合材料的加工工藝將PA6/CF復(fù)合材料的微觀形貌和結(jié)構(gòu)與宏觀性能系統(tǒng)的聯(lián)系起來(lái)的研究還鮮有報(bào)道。

8 碳纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料

碳纖維能夠使聚丙烯的彈性模量有所提升，但降低了材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率。碳纖維對(duì)聚丙烯有一定的異相成核作用，提升了聚丙烯基體的非等溫結(jié)晶峰溫度與結(jié)品度，并且促進(jìn)PP基體中形成了β晶型。等溫結(jié)晶過(guò)程中聚丙烯易于在碳纖維斷面端部成核結(jié)晶。

EPDM-g-MAH 與SEBS-g-MAH在PP基體中的分散性較好，使PP的沖擊強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率有明顯的提升，加入EPDM-g-MAH與SEBS-g-MAH的PP/CF復(fù)合材料具存較高的沖擊強(qiáng)度與彈性模量。

PP/CF復(fù)合材料中增韌劑的加入導(dǎo)致了基體聚丙烯的成核能力的降低與結(jié)晶生長(zhǎng)速率減慢。増韌劑并未改變PP/CF復(fù)合材料的結(jié)晶晶型，加入增韌劑的PP/CF復(fù)介材料中碳纖維的成核作用變得明顯，使復(fù)合材料中的球晶主要生長(zhǎng)在碳纖維附近。

我國(guó)應(yīng)加快對(duì)碳纖維的研發(fā)，力爭(zhēng)在設(shè)備、技術(shù)上得到實(shí)質(zhì)性的突破，并提高性能，降低成本，以使我國(guó)碳纖維工業(yè)得到跨越式的發(fā)展；同時(shí)，也能推動(dòng)汽車及其相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展。