淺析碳纖維傳動軸

一、碳纖維材料發展概述

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。

上世紀60年代，高性能碳纖維作為增強材料實現了初步商業化，連續碳纖維增強的高性能樹脂基復合材料因此誕生。

碳纖維復合材料性能優越，具有重量輕、強度高、比模量高等特點，生產技術難度大、成本較高，但優良的性能特點滿足了高技術發展的需要，在過往在航天航空和軍事領域應用比較多，并已從航空、航天、體育用品等領域轉入汽車領域，隨著技術水平的進步在汽車制造行業也已經開始普及應用。

二、碳纖維材料在汽車領域的應用情況

2014年5月9日，位于美國華盛頓州的西格里汽車碳纖維公司摩西湖工廠舉辦擴產奠基儀式，目前碳纖維的年產能達9000噸，摩西湖工廠已經成為世界上最大的碳纖維生產基地。

碳纖維要想在汽車領域普及，需要解決兩個問題，一個是成本，另一個是回收問題。隨著生產技術不斷成熟，相信碳纖維的生產成本會不斷降低。除了生產成本這個因素外，廠商和政府還需要考慮到碳纖維零件的回收問題，相比金屬材料，碳纖維復合材料的回收利用更加困難。

三、碳纖維在汽車領域應用性能優點

1、輕量化優點

碳纖維復合材料具有其他材料不可比擬的比強度和比模量，密度只有1.6g/cm3左右，遠低于鋼鐵和鋁，將其應用于車身及其它零部件的設計可降低整車質量的35%左右，降低燃油消耗，如大眾新推出的采用碳纖維復合材料車身和零部件的XL1車型總質量只有795kg，結合混動技術，百公里油耗僅0.9升。

BMW E92采用前置后驅的布置，傳動軸，重達10.6kg，采用碳纖維復合材料制作，使其擁有輕量化的特點，整根傳動軸的重量僅為5.9kg，MF碳纖傳動軸與原廠的相比，重量大大減輕，而取消的萬向節的結構，動力損耗進一步減少，且噪音方面也有相應的削弱。其他細節方面，傳動軸的末端（非球頭端）則采用了6061-T6鋁材，而傳動軸兩端具

有10000轉的模擬動平衡處理和高扭矩負載的測試，確保這款碳纖傳動軸成為可靠傳送動力的橋梁。

汽車材料性能對比

2、耐久性優點

碳纖維復合材料主要由碳纖維絲束和樹脂材料組成，碳元素化學性質穩定，無需進行表面防腐處理，其耐候性及耐老化性極好，壽命一般為鋼材的2-3倍。采用CFRP材料生產的功能性零部件的疲勞強度也遠高于鋼材。

3、強度高、安全性優點

碳纖維復合材料的機械性能優于金屬材料。其抗拉強度是普通鋼材的4-5倍，剛度是普通鋼材的3-4倍。碳纖維復合材料的抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是普通鋼材的5倍，由碳纖維材料制作的駕駛艙在碰撞中變形極小，可有效保護駕乘者的生存空間。

經特殊編織的碰撞吸能結構在高速碰撞中碎裂為較小的碎片，吸收大量撞擊能量（能量吸收性為一般鋼材的3倍以上），能有效提高車輛被動安全。

這些數據太抽象，不好理解，讓我們通過2016賽季F1賽場上的一場事故來闡釋一下碳纖維復合材料的堅固程度。2016賽季F1揭幕戰在澳大利亞阿爾伯特公園賽道打響，比賽過程中邁凱倫車隊車手阿隆索發生了嚴重撞車事故，自己的賽車被撞的僅剩下了駕駛艙，但是阿隆索本人卻并無大礙。

四、碳纖維傳動軸在汽車領域的應用

碳纖維復合材料傳動軸能夠有效的提升汽車的質量和性能，對于汽車輕量化的實現也有著重要的影響。

汽車的傳統軸在過往一般使用鋼鐵材料制作，這種材料的傳動軸彎曲固有頻率比較小，在汽車高速行駛的過程中性能不佳，采用兩段式式結構也存在不少弊病。碳纖維復合材料汽車傳動軸能夠很好的解決這個問題，有效提升汽車性能。

用同粗細的兩根傳動軸放置在扭力機上進行試驗，當扭力機施加的扭矩達到1376Nm時，金屬傳動軸明顯變形。而碳纖維傳動軸在扭矩達到4700Nm左右時才發生了斷裂。

汽車傳動軸的受力情況比較復雜，尤其要承受很大的扭矩，對材料性能要求較高。碳纖維增強復合材料具有各向異性、比強度高和比模量相對較低的特點，替代金屬材料作為傳動軸可較好的滿足使用需求。碳纖維傳動軸不僅可減輕重量60%，而且具有更好的耐疲勞性和耐久性。

應用實例：

豐田86碳纖維傳動軸僅5.53kg，減重50%

蘭博基尼第六元素概念車使用碳纖維**連桿取代鋼制連接件，重量減輕40%-50%。

五、碳纖維傳動軸結構和制造特點

當把樹脂、固化劑等材料按照一定比例混合，然后再浸潤碳纖維面料，經過一系列固化處理便形成了碳纖維復合材質，也就是我們在車上經常可以看到的黑格子材質。別看和塑料似的，但這種材質具有傳統金屬材料無法比擬的優點。

但這碳纖維傳動軸，并非完全由碳纖維組成，而是先以金屬網狀的材料制造出傳動軸的骨骼，外面以一整束總長度超100米的碳纖維絲以螺旋狀纏繞金屬骨骼。碳纖維束具有強大的抗拉扯性能，那么螺旋狀纏繞成“棒”形的碳纖維軸，在承受轉矩的時候，就可以將轉矩轉換成對碳纖維絲在拉扯方向的拉力，從而發揮出碳纖維絲的最高強度。

復合材料碳纖維汽車傳動軸分為內外兩層，外層多使用鋁合金等輕型金屬材質，內層使用碳纖維復合材料。利用制作工藝將碳纖維復合材料外覆金屬表面，讓復合材料避免腐蝕、外力等直接損害。碳纖維傳動軸有著良好的扭轉剛度和強度，承載能力較高，彎曲固有頻率能夠達到229Hz以上，同時自身重量相對于金屬材質要輕很多。單層碳纖維混合軸的靜態扭矩傳遞能力能達到2700N.m以上。

六、碳纖維應用存在的問題

受限于當前的工藝技術，碳纖維復合材料的成本不管是與傳統的鋼材，還是現在輕量化優先選擇的玻璃纖維和鋁合金，都有不小的差距，因此盡管在性能和重量上都有顯著優勢，但目前的應用仍比較局限。

碳纖維最早應用在 F1賽車以及追求極致性能的蘭博基尼車身和底盤上；隨后，碳纖維改裝件逐步進入市場，成為改裝車發燒友的目標；真正進入工業化應用的，則是近期寶馬連續推出的i3電動車和7系，在車體采用了大量的碳纖維以達到減重的效果。這些車型最大的特點是都屬于超跑或者高價車，碳纖維復合材料在中低價車上的應用仍然需要時間。

碳纖維加工成本高昂，再加上原材料本身就價格昂貴，這讓碳纖維材料的普及受到了制約。但這些問題很有可能被寶馬公司化解，近些年致力于碳纖維研究的寶馬可能會成為碳纖維材料普及的先驅者和推動者。

七、碳纖維材料未來發展趨勢展望

球碳纖維產能集中于日本和歐美等地區，呈現高度集中的特征。2016 年全球碳纖維理論產能 13.9 萬噸，小絲束產能主要集中于亞洲，尤其是日本企業，而大絲束產能主要集中于歐美國家。Toray（東麗）、Zoltek（卓爾泰克）、SGL（西格里）、MRC（三菱）、Toho（東邦）五家企業合計產能 8.1 萬噸，占全球總產能的 58%。其中日本東麗在收購美國卓爾泰克后總產能達到 4.3 萬噸，占全球 31%，并且同時擁有全球最大的小絲束和大絲束碳纖維產能，是名副其實的全球龍頭企業。

全球碳纖維企業大致可分為三個梯隊：首先是兼具規模和技術優勢的企業，Toray、Toho等為典型代表；其次是在特定領域具備較強競爭力的企業，比如 SGL 在汽車領域，Cytec 在航空航天領域；再其次則是具備成本優勢的企業，比如 Formosa、Aksa、韓國曉星等。

我國碳纖維研發始于上世紀 60 年代，幾乎和日美同時起步，但由于種種原因，相關研發項目被叫停。而日美等國對核心技術的壟斷與封鎖，使我國碳纖維生產技術和裝備水平整體落后于國外，無法滿足國家重大裝備等高端領域的需求。2016 年我國碳纖維理論產能約 2.4 萬噸，然而真正有效產出僅 3600 噸左右，產能利用率僅 15%左右，進口依賴度超過80%。

但是單純依靠材料自身的成本控制，價格下降的趨勢將非常緩慢，碳纖維復合材料對汽車工業的影響將更加直觀地表現為對于整個汽車制造工藝的革新，以其先進的成型工藝拉動整個生產環節的成本下降，才能推動碳纖維的廣泛應用，才是碳纖維在汽車領域大放異彩之時。

隨著我國高端碳纖維技術的不斷突破以及生產向規模化和穩定化發展，企業布局逐漸向高附加值的下游應用領域延伸，我國碳纖維行業將逐步實現進口替代，企業盈利能力有望逐步恢復，市場走向良性健康的發展道路。