碳纤维发展趋势专题丨轻量化材料对比 碳纤维与轻量化分析

目前赛车轻量化、汽车轻量化、轨道交通轻量化、民航客机轻量化等轻量化技术已逐渐成为一种趋势。碳纤维生产技术（ID:carbonfiber8）小编这篇文章就为您搜集整理一下各种轻量化材料对比以及碳纤维与轻量化分析。

轻量化与新材料密不可分，工业领域用轻量化材料的总体趋势是普通钢换成热成型钢、热成型钢换成铝合金、铝合金换成镁合金、镁合金换成碳纤维，同时还有部分部件会被替换为工程塑料。从材料强度与重量角度来看，以耗钢材400kg为标准，高强度优质钢材则需要320kg、铝合金240kg、镁合金200kg、碳纤维复合材料160kg，粗算减重效果分别为：10%-20%、40%、50%、60%，见图表1。

数据来源：前瞻产业研究院

图表1 不同轻量化材料减重效果对比

从图表1明显可以看出碳纤维的减重效果是最好的。而从轻量化材料的潜力来看，最具想象空间也是碳纤维。碳纤维必将成为轻量化材料的研究焦点。碳纤维生产技术（ID:carbonfiber8）小编查阅了很多资料，对不同轻量化材料性能指标做了对比，如图表2所示。

数据来源网络，碳纤维生产技术小编搜集整理

图表2 轻量化材料性能对比

从图表2可以看出，碳纤维的比重不到钢的1/4，其抗拉强度3500Mpa以上，是钢的7-9倍，弹性模量也高于钢。

下图表3所示为常用结构材料的力学性能比较，可以看出碳纤维复合材料的最大优势是具有高比刚度和高比强度，特别是高比刚度，是其他材料无法比及的， 即使是高强高模玻璃纤维复合材料，虽然其强度高于T300级碳纤维复合材料，但其比刚度远逊于碳纤维复合材料。

部分数据来源：沈真/碳纤维产业现状分析

图表3 结构复合材料的力学性能对比

结构设计的经验表明，控制大多数结构质量的关键指标是变形要求（若无变形要求，可以使用更便宜的高强玻璃纤维），正因为如此，碳纤维的高模量是它能在众多结构材料中鹤立鸡群的主要原因，在当前席卷全球的结构轻量化潮流中，碳纤维复合材料必然是其他材料无法替代的首选。

当然碳纤维可以有很多用途，但主要是用作结构材料，根据碳纤维复合材料的上述特点，同时具有减重和变形要求的结构应是其最适合使用的对象。

通过以上的各种对比分析，碳纤维作为一种高性能材料是迄今为止综合性能最好，并能在工程上应用的轻量化材料。有研究数字显示，若汽车整车重量降低10％，燃油效率可提高6％-8％；若滚动阻力减少10％，燃油效率可提高3％；若车桥、变速器等装置的传动效率提高10％，燃油效率可提高7％。汽车车身约占汽车总质量的30％，空载情况下，约70％的油耗用在车身质量上；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。

尽管碳纤维显示出了巨大的应用前景，碳纤维的应用依然受制于它的高成本。据外媒报道，宝马工程师Florian Schek在在美国汽车研究中心（Center for Automotive Research）旗下的管理简报研讨会（Management Briefings Seminars）上表示，碳纤维材料由于价格极为高昂，成本难以降低，在汽车上的应用将不那么乐观。

因此，只有不断地降低碳纤维的生产成本和提高碳纤维的力学性能，才能真正扩大和提升碳纤维的应用空间。碳纤维的低成本化和高性能化已成为当今碳纤维研究领域的研究热点和焦点，世界各国的研究者和企业正在努力从事低成本高性能碳纤维的研究和开发工作。