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汽車碳纖維部件誤區

2021-02-20 科普知識

  含碳量在90%以上的高強度高模量纖維。耐高溫居所有化纖之首。用腈綸和粘膠纖維做原料,經高溫氧化碳化而成。是制造航天航空等高技術器材的優良材料。下面是小編為大家整理的汽車碳纖維部件誤區,僅供參考,歡迎閱讀。

  常見誤區一:認為很多超級跑車用的都是碳纖維

  提及任重而道遠的汽車輕量化問題,“碳纖維”這個名詞似乎不能不說,堅固、輕盈和標志性紋理是人們對它的普遍印象;與此同時,高污染、高工藝、高價格也是客觀存在的詬病;然而在探討矛盾之前,我們更有必要先掃清些誤解和習慣性認知的錯誤,今天我們就來聊聊這項并不算新奇的材料科技成果。

  關鍵點:錯把碳纖維與碳纖維增強復合材料混為一談

  這可能是我們聽聞最多的習慣性描述:很多超級跑車使用了碳纖維。實際上,幾乎所有高性能車型使用的“碳纖維”都是碳纖維增強復合材料。這里強調的關鍵點其實是復合工藝而不是碳纖維本身。舉個更直白的例子:說“很多超級跑車使用了碳纖維”就好比說:今天職工食堂里賣的主食只有面粉,而準確的說法應該是:食堂賣的主食有面粉做的饅頭、面粉做的`花卷、面粉做的面條等等。它們基礎原料相同,但添加成分和制作方法其實是明顯不同的。因此,我們可以簡單的把碳纖維與碳纖維增強復合材料理解為:面粉與干糧的關系。

  另外從物理構成講:碳纖維幾乎全部由“碳”構成(通常在95%以上),而增強復合材料就要增加很多元素以滿足更高的使用需求。最常見的就有聚丙烯晴基纖維、黏膠絲和瀝青基纖維等,特性不同、檔次也不同,后文我們會展開介紹。

  另外從稱謂的角度來說:碳纖維(Carbon Fiber)的英文簡稱是CF,而碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic)的英文簡稱則是CFRP,比如前不久剛剛在巴黎車展上亮相的大眾XL Sport混動性能車以及剛剛在國內上市的寶馬i系列車型都是采用的CFRP,即碳纖維增強復合材料制造的車身主體。

  常見誤區二:提到碳纖維就認為是一種高級材質

  關鍵點:碳纖維類材質也有高低檔之分,主要與制造工藝相關

  提到碳纖維類材質,我們首先能想到的便是堅固、輕量并且價格昂貴(相比傳統鋼鐵和塑料材質而言),當然這并不錯,因為能夠應用到性能車型甚至是F1賽車上的碳纖維類類材質確實都是高端產品。只是這并不代表碳纖維類產品就沒有低檔貨,當中良莠不齊的生產質量和制造工藝流程是區分高低端產品的關鍵。

  事實上,碳纖維只是個廣義上物質界定,根據應用需求衍生出的復合類材質其實超級多,分類的維度也很多,比如可以按原絲類型分、物理性能分、應用功能分、制造方法分等等,相應的就有了高低檔次之分。這里就按原絲類型來分,通常就有聚丙烯晴基纖維、黏膠絲和瀝青基纖維等種類,而不用原料則意味著碳化得率的不同。這當中,用聚丙烯生產的碳纖維產量最多(約占市場的95%左右),它的碳化得率約為50%-60%左右,屬于比較高的范圍,而以瀝青纖維為原料,碳化得率能達到80-90%,同時成本還更低,也是目前積極發展的類型。

  另一個決定碳纖維用途和檔次的問題,就是制造工藝,最簡單的,我們都知道生產碳纖維類材料通常需要超高溫熱處理步驟(通常在300℃-2000℃量級上),不同燒制溫度會直接影響產品的特性的成本,從而不同碳纖維類材料之間的差價可能在幾倍甚至幾十倍上下。另外,高溫燒制往往也意味著大量能源的消耗,當然這就屬于環保維度的問題了,我們暫且不提。

  常見誤區三:因為紋理相似,所以認為碳纖維材質與凱夫拉材質是同類

  關鍵點:兩者物理特性、知識產權所屬等都有本質性不同

  這是在一次參觀寶馬X5防彈車時,現場觀眾之間的交流問題。另外當時還有位朋友不解的問:每年碳纖維類材料的產量很大,而凱夫拉材質(KEVLAR)年產量要少的多,為什么防彈材料不用碳纖維而用凱夫拉呢?

  前面已經介紹過碳纖維,它其實就是一種纖維狀的碳材料;而凱夫拉纖維材質則是美國杜邦(DuPont)公司對芳綸纖維材料產品的品牌名,它的化學名稱應該叫:聚對苯二甲酰對苯二胺,由于同屬人造纖維類材料,并且擁有相似的工藝流程,因而在視覺感受上確實有相似之處,但其實是不同的。

  反應材料的特性,最直接的方法就是看應用,比如凱夫拉材質會用在普通防彈盔甲甚至是坦克的防彈裝甲中,而不會用碳纖維材質替代,這當中的很重要的原因就是,凱夫拉材質的韌性更佳,可以利用更好的塑性變形來吸收外部沖擊能量;而碳纖維則是脆性的,當外部能量超過極限值后就會發生斷裂,這有個專業的比對詞匯叫做“模量”(類似彈簧系數)。毋庸置疑,凱夫拉的模量數值要高于碳纖維類材質。

  首先,碳纖維增強復合材料是碳纖維的實際應用,兩者相互依存但又不在同一層面;同時碳纖維類材質與其他材質相同,也有好壞高低之分,只是更多時候我們在性能車上見到的都屬于高端產品;另外,相比于凱夫拉材質,兩者確實有共性之處,并且均為高強度人造纖維材質,但依舊不能相互等同。

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