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别看见碳纤维就喊牛X!你车上那块碳纤维可能还没我手机壳贵

2021年03月17日 08:40:13
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来源:爱卡汽车

如今的汽车市场,各个车型的属性细分的越发明显,在选材用料上也会有特别高的倾向性。碳纤维材质目前广泛使用在性能车或主打性能的运动车型上,有的是在内饰出现,有的则使用在车辆覆盖件上。我曾经问过不少年轻人,大家光觉得碳纤维就是牛,但是其实根据制作技法和编织工艺的不同,强度和用途也有所不同。所以今天,我们就将对不同编织工艺不同强度的碳纤维做出解读。

今天的内容呢,我们将会从工艺和编织方式来展开。不过在展开解读之前还是要先来讲讲车用碳纤维。首先要明确一个概念:无论何种车用碳纤维,只要不是贴纸,那么就都是碳纤维,只不过造价和用途以及强度上有所不同。

碳纤维(carbon fiber)是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维质量比金属铝还要轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性。所以目前广泛使用在汽车内/外饰的制作上。其实碳纤维是广义的物质统称,衍生出来的复合类材质很多。

1880年爱迪生发明了碳纤维,在实验灯丝的时候就发现了碳纤维。但直到1963年,在范堡罗(Farnborough) 的皇家航空研究院(Royal Aircraft Establishment )的研究员们才开发出具有商业价值的碳纤维,使得这种材料的应用成为可能。

曾供职于F1方程式的雷诺和威廉姆斯前技术总监Pat Symonds认为,人类最早将碳纤维制品使用在赛车上应该是1968年夺得勒芒冠军的福特GT40。它车体内外都有几处覆盖着碳纤维,用以提高车身强度。如今在F1赛车以及MOTO GP比赛中都在车辆上大量使用碳纤维材质。

碳纤维的制造包括四个过程:纤维纺丝,热稳定(预氧化),碳化和石墨化。 伴随的化学变化包括脱氢,环化,预氧化,氧化和脱氧。

纺丝:这是碳纤维生产过程中的第一步,主要把原材料分离成纤,属于物理变化,在这过程中,纺丝液细流与凝固液之间的传质、传热,最后PAN沉析形成凝胶结构的丝条。

牵伸:要求温度100到300度,结合定向纤维的拉伸效应来操作。也是PAN纤维的高模量、高强化、致密化和细化的关键步骤。

稳定:使用400度加热氧化的方法使热塑性PAN线形大分子链转化为非塑性耐热梯形结构,使其在高温下不熔不燃,保持纤维形态,热力学处于稳定状态。

石墨化:需要在温度1千到2千度,将PAN中非碳元素驱除,最后生成含碳量90%以上的具有乱层石墨结构的碳纤维。

但是F1赛车所使用的材料与民用车不同,因为赛车在激烈驾驶时车身受力点与普通道路上的车辆有很大不同,所以在编织方法以及制备方法上就有很大区别,所以也就要引出工艺和编织方法的问题了。先来说说工艺,目前我们常见的车用碳纤维制品分为干式碳纤维和湿式碳纤维。干式碳纤维的制作工艺和流程和赛车有着很大的关系,所以制作出来的产品多用与车架、座椅,机舱盖,传动轴等部分。

干式碳纤维的制作方法与湿式碳纤维一样,都是以纤维布为原料。只不过干式碳纤维所采用的是预浸布,布上涂有环氧树脂。通过将预浸布放入钢制模具之后再整体放入热压罐成型。

对于部分精度要求更高的零件,例如发动机舱盖,技术人员会先在油泥模型或是钢制模型上铺好预浸布,通过激光和丝距进行定位,手工完成基础整形后,再覆盖阳模后送入热压罐。

之所以要送进热压罐,是因为干式碳纤维件必须在特定的温度和压力下才能固化成型,所以需要用到热压罐。

干式碳纤维相比湿式碳纤维的优势在于强度高、成型效果好,溢胶少,重量轻。有太多的超跑都使用了碳纤维的车身结构以及覆盖件。在我们更容易得到的阿尔法罗密欧的Giulia上,就采用了干式碳纤维制作而成的传动轴。

湿式碳纤维的制作相比起干式碳纤维就要容易了太多,造价也是天壤之别。湿式碳纤维的主流制作方法基本可以分为两种,一是手糊法,具体操作可以按字面意思来理解。将没有提前浸泡过环氧树脂的碳纤维布裁剪成想要的形状后,先在磨具上刷脱模剂,之后每铺一层碳纤维布就刷一层环氧树脂作为粘合剂,直到完成。

手糊法制成的湿式碳纤维零件优势在于不受场地和条件限制,动手能力强的人都可以自行制作。而且对于设备的要求较低,常温状态下即可成型,不必须加热塑形。但是缺点也是明显的,就是溢胶现象严重,大多需要成型后二次打磨。

湿式碳纤维的另一种制作方法就是抽真空法。制作方法和手糊法没有太多区别,但是环氧树脂不需要一层一层的大量涂抹。因为在制作的过程中就会先行铺设导管及导流网,导管的作用是充分引入树脂,导流网则是对树脂进行导流,使树脂更均匀的流递分布在碳纤布上。在抽真空之后会吸走多余的树脂,避免溢胶出现。

在我国大学生方程式比赛中,各高校都在广泛使用抽真空法制作碳纤维零件。此前我曾于北京航空航天大学采访时见到了他们的碳纤维零件制作,正是使用溢胶更少,质量更轻的抽真空法。

相信通过之前的介绍,大家现在已经对碳纤维有了一个基本的了解,但是我们日常最多见到的就是车内的那些碳纤维饰件,我们又该如何分辨呢?别急,下一页我将通过编织方式来给大家解读,不同的编织方式是如何代表不同强度的。

干式碳纤维与湿式碳纤维的区别----1

不同编织工艺所带来的不同强度

除了刚才讲到的不同制法,不相同的碳纤维编织纹路也会对整块产品的强度以及性能产生不一样的影响。从花纹样式上大致可以分为平纹编织、斜纹编织以及缎纹编织。在开始讲解之前必须先明确一个概念,图里进行编织的碳纤维丝并不是以单根编织,而是以1000根为一束进行编织。常见的有1k、3k、6k、8K、12k几种类型。

其实平纹编织的图案非常好认,好似棋盘一般非常富有对称性。在编织过程中,丝束以上/下的走势编织。隔行丝束之间的间隔很小,使平纹组织具有很高的稳定性。

斜纹编织从形态上就可以看出来,采用的是交叉压线的方式。2×2和4×4如何理解呢,其实也很容易分辨,就是每个丝束将经过2个丝束下去,然后经过2个丝束上来。同样,4x4斜纹布将经过4个丝束下去,然后经过4个丝束上来。

奥迪RS7为例,这款车型在内饰面板就使用了斜纹编织样式的碳纤维饰板,所采用的4×4斜纹,从强度上来说虽然不如2×2,但是可成型性更好,更加适合内饰面板的制作。

来自北京奔驰的A级轿车也采用了碳纤维饰板,从纹路上来看采用的是2×2斜纹编织,表面进行了抛光处理,抚摸不到具体的纹路。

缎纹编织来源自早起制造丝绸织物的编织技法,虽然看起来顺滑和无缝,但实际强度不高。所以像碳纤维座椅这种制品,依旧需要使用2×2的斜纹编织法来完成制造。

全文总结:相信通过今天的介绍,大家心里都已经碳纤维有了基本的认识,也了解了不同工艺和不同编织方法所制造出的碳纤维制品在强度以及成本上的区别。所以以后千万不要看到有碳纤维制品出现在车上就觉得很贵很性能,毕竟很有可能这个湿式碳纤维制造而来的零件还不如您在网上定制的手机壳值钱。

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