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材料力学性能（修改）
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5 陶瓷材料的力学性能
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3秒自动关闭窗口碳纤维增强复合材料在汽车中的应用_工程材料_中国百科网
碳纤维增强复合材料在汽车中的应用
    
碳(石墨)纤维增强复合材料在汽车中的应用
作者：上海交通大学 张国定 刘臻炜
碳（石墨）纤维具有比重小、强度高、模量高、耐腐蚀等特点，可用于制造碳（石墨）纤维增强聚合物、金属、陶瓷基复合材料，是先进复合材料最重要的增强体。碳纤维增强复合材料用于制造汽车车身、发动机零件等，可有效降低汽车自重并进步汽车性能，是当前汽车材料轻量化的重要研究发展方向之一。本文将简述碳纤维增强复合材料的性能特点，及其在汽车产业应用的远景和存在的题目。随着汽车产业的飞速发展，减少燃料消耗和降低对环境的污染已成为汽车产业发展和社会可持续发展急需解决的关键题目。汽车的燃料消耗和CO2废气的排放量与汽车重量存在密切的关系，美国能源部相关研究表明，美国现有的汽车，如减重25％，天天可节省750,000桶燃油，每年CO2的排放量可减少1.01亿吨，因此汽车轻量化已成为汽车产业技术发展的重要方向。除了对汽车各种零部件结构进行优化设计和改进外，采用高性能轻质材料是实现汽车轻量化的一条重要途径。如选用铝、镁、钛、高强度钢、工程塑料和复合材料等，用以制造汽车车身、底盘、发动机等零部件，可以有效的减轻汽车自重，进步发动机效率。碳纤维增强复合材料具有高强度、高模量，已在航天航空等领域广泛使用，是制造卫星、导弹、飞机的重要结构零部件的关键结构材料。它也是适用于制造汽车主结构DD车身、底盘最轻的材料，受到汽车产业广泛重视。但由于碳纤维增强复合材料的价格昂贵，严重影响其在汽车产业中的应用。因此，发展廉价的碳纤维和高效率碳纤维增强复合材料的生产方法和工艺已成为汽车轻量化材料研究中的关键课题，美国、日本等已将其列为汽车轻量化材料的研究计划。碳纤维及复合材料的性能特点碳（石墨）纤维是以有机纤维DD聚丙烯晴（PAN）纤维、粘胶纤维、沥青纤维等原丝经过预氧化、碳化、石墨化等高温固相反应工艺过程制备而成，由有择优取向的石墨微晶构成，因而具有很高的强度和弹性模量（刚性）。它的比重一般为1.70～1.80g/cm3，强度为MPa，弹性模量为200～400GPa，热膨胀系数接近于零，甚至可为负值（～1.5×10-6）。各种类型的碳纤维性能见表1。碳纤维同时具有导热、导电、耐高温、耐腐蚀等优良的综合性能。这些优良的综合性能使碳纤维成为先进复合材料最重要的增强纤维，可以用来增强聚合物（热固性、热塑性聚合物）组成高性能聚合物基复合材料；增强铝、镁、铜等金属组成碳/铝、碳/镁、碳/铜等金属基复合材料；增强碳、陶瓷组成耐高温的陶瓷基复合材料。碳纤维复合材料可以通过基体、纤维的选择、碳纤维含量和分布的优化设计做成性能能够满足多种要求的各种高性能构件，满足航天航空、电子信息、汽车等领域的需求。图2是碳纤维增强复合材料与钢、铝、钛等常用工程材料的强度、比模量的比数，可见碳纤维增强复合材料的比强度、比模量高出常用材料数倍，特别是碳纤维增强聚合物基复合材料的力学性能明显高出常用的工程材料。由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40～60％，相当于钢结构重量的1/3～1/6。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果表明碳纤维增强聚合物材料车身重172kg，而钢制车身重量为368kg，减重约50％。并且当生产量在2万辆以下时，采用RTM工艺生产复合材料车身本钱要低于钢制车身。但由于碳纤维本钱过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限，仅在一些F1赛车、高级轿车、小批量车型上有所应用，如BMW公司的Z-9、Z-22的车身，M3系列车顶蓬和车身，GM公司的Ultralite车身，福特公司的GT40车身、保时捷911 GT3承载式车身等。为进步碳纤维增强复合材料的用量，美国、欧洲、日本等通过加紧研究廉价碳纤维的原丝（高品级聚丙烯晴丝）和碳纤维的低本钱、高速率的生产工艺，使碳纤维的价格降低到约3美元/磅。目前碳纤维增强复合材料已用于赛车、重卡、混合动力车的各种零部件的生产。碳纤维复合材料在汽车中广泛应用的障碍和解决途径碳纤维增强复合材料在汽车中的应用目前存在一些技术障碍和题目急需研究解决。1. 本钱题目。碳纤维增强复合材料所用的纤维和基体材料价格高，是该材料在汽车产业广泛使用最大的障碍。生产碳纤维的原丝DD聚丙烯晴丝较贵，美国正在研究以纺织商品级的聚丙烯晴丝为原丝并能够快速生产廉价碳纤维的工艺，可看将碳纤维的价格降至3美元/磅。2. 缺乏大批量、高生产效率的碳纤维复合材料汽车零部件的生产方法。需研究法政能够生长多种外形和性能的汽车零部件工艺方法，由于汽车行业特点，要求工艺本钱要低，生产率要高。研究发展高效、低本钱的复合材料零件生产工艺意义重大。3. 缺乏复合材料的快速、大批量连接技术。4. 复合材料汽车零部件的回收再利用题目。碳纤维增强热固性树脂基复合材料的回收尚存在一定题目，有待解决。5. 复合材料汽车零件的设计数据、试验方法、分析工具、碰撞模型等尚不完善。碳纤维复合材料具有足够的强度和刚度以及优良的综合性能，它的应用将可大幅度降低汽车自重达40～60％，对汽车轻量化具有十分重要的意义，已成为汽车轻量化材料的重要发展方向。目前碳纤维增强复合材料的价格仍比较昂贵，大批量、高效率生产汽车零部件的工艺方法仍需要进一步发展、完善。这些因素使得碳纤维增强复合材料在汽车中的应用还有限。国际上已将碳纤维复合材料在汽车中的应用列为汽车轻量化材料发展计划的关键内容，并取得了重大进展，预期在2010年碳纤维增强复合材料将在汽车中大量应用。
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工程陶瓷基复合材料及其运用
武汉市汉阳区,
近些年新材料的世界市场正以两倍于整个 很高的强度又有很好的韧性,从而使陶瓷基复合
世界经济增长速度而发展。其中工程陶瓷基复 材料具有很多突出的优点,特别是韧性的提高,
合材料的发展尤为瞩目。同金属材料相比,陶瓷 使其在航空航天、军事、能源、汽车、机械、化工、
材料在耐热性、耐磨性、抗氧化、抗腐蚀以及高温 轻工等很多领域都有着广泛的应用潜力和前景。
碳化硅陶瓷基复合材料具有耐高温、高强
力学性能等方面都具有不可替代的优点,特别是
陶瓷基复合材料,它克服了一般陶瓷的脆性,其 度、抗氧化、抗腐蚀、耐磨损等一系列优越性能,
应用已涉及到空间探索、科研、生产、建设的各个 是高推重比航空发动机、空天飞机等重要武器装
领域。陶瓷基复合材料应用于切削刀具、阀及阀 备高温部件的理想材料。随着对高温高强材料
座、泵衬及挤压模具等,其性能远优于硬质合金 的要求愈来愈高,人们转向研制陶瓷基复合材
料。增强材料有碳纤维、碳化硅纤维和碳化硅晶
和普通陶瓷材料。其中应用得最普遍的要算切
削刀具类,它几乎占工程陶瓷产量的/,各种高 须。所谓晶须就是由晶体生长形成的针状短纤
维。纤维增强陶瓷可以增加陶瓷的韧性,这是解
强度、高硬度、耐热合金等难切削材料越来越多
地被采用,给切削加工带来了很大的困难,另一 决陶瓷脆性的途径之一。由纤维增强陶瓷做成
的陶瓷瓦片,用粘接剂贴在航天飞机机身上,使
方面对普通材料的切削加工也存在着一个提高
生产率和适应大规模自动流水线生产要求的问 航天飞机能安全地穿越大气层回到地球上。
题,因此,世界各国都非常重视新型刀具的开发 陶瓷是一种无机非金
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解决陶瓷球应用的两大难题之我见
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&&近​年​来​,​部​分​院​校​和​企​业​出​于​节​能​降​耗​的​目​的​,​在​通​用​硅​酸​盐​水​泥​粉​磨​系​统​,​进​行​了​利​用​陶​瓷​球​代​替​钢​球​、​钢​锻​的​系​列​研​究​与​开​发​,​取​得​了​明​显​效​果​。​但​由​于​各​种​原​因​,​陶​瓷​球​应​用​技​术​还​没​有​被​大​多​数​水​泥​企​业​认​可​;​过​多​的​“​破​球​”​和​“​减​产​”​,​不​仅​给​水​泥​企​业​带​来​经​济​损​失​,​而​且​使​其​对​陶​瓷​球​应​用​的​可​行​性​产​生​质​疑​。​为​了​指​导​水​泥​企​业​正​确​使​用​陶​瓷​球​,​实​现​节​能​降​耗​目​的​,​济​南​大​学​陈​绍​龙​教​授​以​其​经​验​总​结​,​来​解​析​当​前​陶​瓷​球​应​用​的​技​术​难​题​。
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你可能喜欢陶瓷，一种和人类历史一样悠久的材料。 如今，随着科技的迅速发展，陶瓷从一个简单的材料发展成为高性能的先进纳米陶瓷材料和涂层。它的耐热性、耐久性、硬度和化学惰性，使它在航空航天、高性能赛车零件和生物医疗植体等方面得到了广泛的应用。美国国家航空暨太空总署是先进陶瓷材料和高科技纳米溅镀技术最早的使用者之一，他们将该技术运用于航天飞机（太空梭），推动了先进陶瓷材料在航空工程中的广泛应用。先进陶瓷材料制成的涡轮发动机可以更有效地运作，提高飞机的飞行航程和有效燃料负载率。&&&&现代F1赛车也将具有高隔热功能的先进陶瓷材料应用在刹车系统、轻盈的车身面板、引擎以及排气管上，以确保赛车能够承受在高速运转时所产生的热负荷。在医学领域，顶尖的科研学家也看中了先进陶瓷材料的高耐用性、稳定性和硬度，将先进陶瓷材料和高科技纳米溅镀技术应用在牙科的矫形手术、人体髋关节置换手术等医疗手术中。
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