《表1 钢、铝及复合材料的性能对比[23]》

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《汽车轻量化焊接技术发展现状与未来》

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碳纤维复合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）首先在19世纪50年代用于火箭、宇航等尖端科学技术，发展至今已经成为无人机、汽车、医疗器械等领域的前沿材料。CFRP具有密度低、耐腐蚀性高、抗疲劳性能及减震性能好等优点。由表1[23]可以看出其比强度和比刚度与钢、铝等材料相比具有绝对优势，因此在汽车轻量化技术上的应用潜力巨大。Bambach[24]采用环氧树脂将高强度单向碳纤维粘合到钢管表面，并将这种碳纤维复合增强钢管用于汽车车顶的制造，提高了车顶在正面碰撞时的冲击吸收能力。经过LS-DY-NA软件进行数值分析发现，碳纤维与车顶结构部件的结合可以使车顶强度与质量之比较之前增加近2倍，若使用这种碳纤维复合材料代替原始钢材制造车顶则等效减轻了37.68%的质量。虽然碳纤维复合材料的轻量化效果十分显著，但是相比于低碳钢成本（1美元/kg）和铝合金成本（2.5美元/kg），碳纤维的制造成本高达30美元/kg，目前仅有宝马i3、奔驰G50等高端车型上有所应用，这也是制约其大范围应用的关键因素[25]。目前商业化使用的碳纤维主要由聚丙烯腈（PAN）作为前驱体材料制造的，由于PAN价格较高，因此若要降低碳纤维的成本则可以从原料的选择来进行研究[26]。日本Nippon公司首先使用来源广泛的木质素作为前驱体，成功制备出性能优异的木质素基碳纤维[27]，之后，美国采用熔融纺丝技术以木质素作为原材料进行碳纤维的制造，最终使碳纤维的制备成本降低了50%[28]。但是木质素基碳纤维对木质素的纯度要求很高，目前得到碳纤维的成品率仅有35%左右，若要提高其成品率并进一步降低制备成本，则需要对如何制备高纯度的木质素进行深入研究。