在當今汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展浪潮中，新能源汽車(chē)正逐步取代傳統燃油車(chē)，成為主流趨勢。

而新能源汽車(chē)的續航里程問(wèn)題一直是其最大的發(fā)展障礙，在此背景下，汽車(chē)的輕量化顯得尤為重要。

隨著(zhù)環(huán)保和節能減排需求的不斷增加，全球汽車(chē)行業(yè)都在積極尋求多樣化的輕量化解決方案，其中，碳纖維在汽車(chē)輪轂領(lǐng)域的應用備受關(guān)注，并帶來(lái)了諸多顯著(zhù)優(yōu)勢。

一、碳纖維材料特性及在汽車(chē)領(lǐng)域的應用基礎

碳纖維是一種高強度高模量的輕質(zhì)纖維材料，其密度比金屬輕得多，強度卻是鋼鐵的16倍，楊氏模量是傳統玻璃纖維的2 - 3倍，同時(shí)還兼具纖維的柔軟性。正是這些優(yōu)異的特性，使得碳纖維一直是汽車(chē)制造熱衷的優(yōu)選材料。除了應用在輪轂上，在汽車(chē)的傳動(dòng)軸、板簧、構架、車(chē)身等部位也都有使用碳纖維，這不僅保證了汽車(chē)足夠的強度和剛度，而且有效降低了汽車(chē)的重量，進(jìn)而使得能耗也相對降低。可以說(shuō)，碳纖維材料在汽車(chē)領(lǐng)域的應用，既是滿(mǎn)足輕量化、降能耗的需求，也是提升汽車(chē)安全性能的重要舉措。


二、碳纖維輪轂與傳統金屬輪轂的對比及優(yōu)勢

不同傳統金屬輪轂特點(diǎn)，汽車(chē)自1886年發(fā)明以來(lái)，輪轂材質(zhì)歷經(jīng)發(fā)展，現代汽車(chē)常用的輪轂材質(zhì)有鋼制輪轂、鋁合金輪轂、鎂合金輪轂等。

1. 鋼制輪轂：其成分主要是鐵和其他提升韌性的金屬元素，優(yōu)勢在于韌性更強、耐沖擊性能突出、承重能力較好，且價(jià)格便宜。但它也存在明顯缺點(diǎn)，如鐵容易生銹，散熱能力較差，重量較重，不利于制動(dòng)和操控等。

2. 鋁合金輪轂：以鋁為主要成分，還含有銻、硅、鎂等其他元素以提高整體性能。其加工工藝相對鋼制輪轂更復雜，加工工序也更多，但整體性能高于鋼制輪轂，且重量下降明顯。得益于鋁合金的密度較低，它提速更快，散熱能力更強，適合在城市道路行駛。不過(guò)，其韌性相對較低，抗沖擊性和抗疲勞能力較低，不能在惡劣環(huán)境如越野等中使用。

3. 鎂合金輪轂：相對于鋁來(lái)說(shuō)密度更低，與碳纖維復合材料相似，除鎂之外還加入了鋁、鋅、錳等元素。它彈性更好，散熱更快，消震能力更強，在韌性上比鋁合金更好，可視為鋁合金的加強版，但容易氧化，耐腐蝕性較差。

碳纖維輪轂的優(yōu)勢

1. 重量與強度優(yōu)勢：碳纖維輪轂作為近幾年才出現的新型輪轂，外觀(guān)純黑色且帶有紋路，顏值高端大氣。它的重量跟鎂差不多，韌性強，耐沖擊性好，還耐腐蝕耐氧化，目前已在摩托車(chē)、山地車(chē)、公路自行車(chē)和汽車(chē)等領(lǐng)域廣泛應用。一般鋁合金輪轂重量為15千克左右，而碳纖維輪轂重量可以減少至8千克左右，成了名副其實(shí)的“減重神器”。有資料顯示，20英寸的碳纖維輪轂總重量約為7.5kg，與同尺寸鋁合金輪轂相比，重量輕了約25%以上，在強度方面，相比鋁合金輪轂整體也提升了約30%。

2. 性能與操控性?xún)?yōu)勢：澳大利亞Carbon Revolution輪圈品牌的工程師曾指出，在非簧載質(zhì)量下，輪轂的重量減低1kg，就相當于整車(chē)質(zhì)量降低15kg，而車(chē)輛每減重10%，加速性能就可提升約8%。碳纖維輪轂不僅重量輕，還具有很好的減震效果，舒適度更高，操控性更強。這意味著(zhù)使用碳纖維輪轂可以為汽車(chē)動(dòng)力性能帶來(lái)更好的反應力，讓汽車(chē)加速、轉向等操作更加輕松自如。

3. 節能減排優(yōu)勢：使用碳纖維復合材料輪轂減輕1kg的簧下質(zhì)量，其效果可以等同于減輕15kg的整車(chē)質(zhì)量，而車(chē)輛每減重110%，在油耗方面便可降低6% - 8%，汽車(chē)排放也可降低5%。在汽車(chē)使用等量汽油的情況下，使用碳纖維輪轂的汽車(chē)，可比使用鋁合金輪轂的汽車(chē)每小時(shí)多開(kāi)50km。并且，使用碳纖維輪轂，是同尺寸的鍛造鋁合金輪輞重量的60%，可見(jiàn)車(chē)身減重對環(huán)保有著(zhù)重大意義。4. 操控性與制動(dòng)性?xún)?yōu)勢：碳纖維的彈性模量可以達到200GPa，彈性率越高，受力之后彈性形變性越小，其舒適性也就越好，操控性也就得到提高。汽車(chē)更換輕量化碳纖維輪轂之后，車(chē)的懸掛響應速度也就有了明顯的提升，加速也就越快越輕松，制動(dòng)性也就得到提高。


三、碳纖維輪轂的應用事例及制造工藝發(fā)展

碳纖維輪轂的制造需要高精度的碳纖維鋪放和高壓成型技術(shù)。


四、PC碳纖維復合材料輪轂的特點(diǎn)及制造挑戰

除了上述常見(jiàn)的碳纖維輪轂，還有PC碳纖維復合材料輪轂也在汽車(chē)輪轂領(lǐng)域逐漸得到應用。它由碳纖維與聚合物基體復合而成，具有出色的力學(xué)性能，碳纖維的高強度和高模量使得復合材料具有卓越的抗拉強度和抗壓性能。相比于鋁合金輪轂，PC碳纖維復合材料輪轂更加輕盈，同時(shí)保持足夠的剛度和強度，有助于提升汽車(chē)的操控性和行駛穩定性。


然而，PC碳纖維復合材料汽車(chē)輪轂的制造工藝相對復雜，且面臨一些挑戰。首先，制造成本較高，主要是由于碳纖維材料的昂貴價(jià)格和復雜的制造工藝。其次，設計和制造過(guò)程中需要充分考慮復合材料的各向異性特點(diǎn)，以合理利用材料性能，增加輪轂的可靠性和耐用性。


五、碳纖維輪轂在汽車(chē)行業(yè)發(fā)展中的前景

我國汽車(chē)碳纖維擁有巨大的市場(chǎng)潛力，雖然目前碳纖維輪轂沒(méi)有大面積推開(kāi)，主要是基于碳纖維成本的考慮，但隨著(zhù)碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善和規模化生產(chǎn)，碳纖維成本在逐步下降。例如，采用瀝青基、聚乙烯等原料制備原絲，碳纖維成本可以下降30%以上。國家也出臺了相關(guān)政策，大力扶持國產(chǎn)高性能碳纖維的廣泛應用，如2021年3月《國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展第十四個(gè)五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出要加強碳纖維等高性能纖維及其復合材料的研發(fā)應用，為未來(lái)碳纖維行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步提供了良好的政策環(huán)境。

新能源汽車(chē)的發(fā)展勢不可擋，碳纖維輪轂憑借其諸多優(yōu)勢，或將成為新能源汽車(chē)的標配。它不僅能有效解決新能源汽車(chē)的續航里程焦慮問(wèn)題，通過(guò)大幅減少汽車(chē)每次加速或減速時(shí)車(chē)輪旋轉帶來(lái)的能耗，大限度延長(cháng)電動(dòng)汽車(chē)的續駛里程，而且能提升汽車(chē)的整體性能，為駕駛者帶來(lái)更優(yōu)異的駕駛體驗。


綜上所述，碳纖維在汽車(chē)輪轂應用中展現出了重量輕、強度高、性能優(yōu)、節能減排等諸多好處，盡管在制造過(guò)程中存在一些挑戰，但隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，其在汽車(chē)行業(yè)的應用前景十分廣闊。


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