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碳纖維是一種不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼具紡織纖維的柔軟性的特殊高新材料。其含碳量高于90%的無機高分子纖維。
碳纖維的制作十分復雜繁瑣,經過預氧化,高溫炭化,石墨化,表面處理等諸多步驟,才能從原絲到成品,每一步驟又有著諸如碳化溫度,預氧時間等嚴格的參數限制,所以它優異的品質也相應而生。成品碳纖維的軸向強度高、密度低、比性能高,耐疲勞性好,比熱及導電性介于非金屬和金屬之間、熱膨脹系數小且具有各向異性、耐腐蝕性好。
天下皆為利來,這是一個市場經濟的年代,無論任何產業,歸根結底就是在算一筆經濟賬。碳纖維材料的使用是否能讓未來汽車具備更合理的成本、利潤競爭力?為了研究這個問題,我們來逐步展開分析。
然而,碳纖維復合材料到底是什么呢?
碳纖維復合材料(CFRP)是由作為增強材料的碳纖維和作為基體材料的樹脂組成(可以看成為1+1)。而一般復合材料的性能是優于其組分材料性能的,并且產生了一些原有組分材料所沒有的性能(可以理解為1+1>2)。
既然碳纖維復合材料有可能作為未來汽車的備選材料之一,那么它究竟能給汽車帶來哪些令人驚喜的好處呢?
為了讓大家更好地理解,我們先來聊聊一個工業歷史里的大家伙——Boeing787夢想飛機,通過縱向類比,引出兩個核心意義。
做生意,真正關心的就是效益和利潤。在 Boeing787上使用碳纖維材料,對于航空運營商來說,價值在于比同類飛機的飛行過程節能20%的燃油,總廢棄排放量減少20%(碳排放超額可是要收稅的!),比同類飛機降低噪音60%以上!
而這一系列的優良的運營指標都可以大致地歸納為兩方面的貢獻,一是飛機整體重量減輕,二是飛機的主翼可以采取前所未有的設計來降低阻力。而這兩點革命性的突破恰恰就在于,Boeing787飛機的碳纖維復合材料使用量占到了全機體積的80%!
從Boeing787的啟示中我們可以看到,碳纖維復合材料對于工程產品的關鍵意義就在于輕質高強和優良的可設計性!首先,汽車工業上常用的碳纖維增強樹脂基復合材料的密度為1.5-2.0g/立方厘米,這只有普通碳鋼的1/4-1/5,比常用的鋁合金還要輕1/3左右。但碳纖維復合材料的機械性能優于金屬材料,其抗拉強度高于鋼材3-4倍,剛度高于鋼材2-3倍。碳纖維特點之一就是質量輕,這種材料應用在超跑或賽車上帶來最直觀的改變就是整車重量的降低。在動力系統不變的前提下,減重的車身會帶來更出色的加速感受,碳纖維材料的應用在保留舒適配置的同時達到了更好的效果。
碳纖維復合材料的應用可使汽車車身、底盤減輕重量40~60%。碳纖維為車輛輕量化做出的貢獻是毋庸置疑的,但更輕的質量是否意味著更低的強度呢?答案是否定的!碳纖維復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上,是鋼的7-9倍,雖然只是軸向強度出色,但也足以滿足對車輛安全性能的需求。
前面說到,Boeing787的機翼,因為使用了碳纖維復合材料,所以能夠設計出阻力非常小的機翼。要知道,使用傳統的材料和工藝,是幾乎不可能制造出形如Boeing787類似機翼的。
因此可以看出,碳纖維復合材料可以根據不同的用途要求,靈活地進行產品設計,根據產品結構受力情況,通過調整纖維的種類、含量,鋪層方向和順序,在一定范圍內滿足結構設計中對材料強度、彈性和方向性的要求。
汽車,尤其是跑車在設計時往往需要考慮空氣阻力相對小的外形,同時兼顧美觀性。
當然,除了有利于減輕車身重量并具備優良的可設計性外,碳纖維復合材料還有一些獨有的優點,例如良好的耐沖擊性和耐腐蝕性。這樣的性能使得汽車零部件具有較長的使用壽命和極低的維修費用。
隨著科技的進步,碳纖維的應用光是在汽車上,就有碳纖內飾、整體框架、燃料罐、座椅加熱墊、輪轂、碳纖維汽車方向盤、碳纖維汽車行李箱蓋等,都可以用碳纖維來制作。碳纖維編織出的特殊的紋路及碳纖維的低調反光特性,使得碳纖維內飾看起來有著非凡時尚科技感。
碳纖維覆蓋了很多行業,而且還在不斷擴張中。它給我們的生活帶來了很多便利,給我們提供了更舒適、更安全的環境。那么我們又有什么理由去拒絕新材料、新技術給生活帶來的全新體驗呢?
江蘇優培德復合材料有限公司致力于碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維等復合材料汽車及工業領域的高性能零件開發、試制及生產,配備有復合材料不同生產工藝如模壓、RTM、真空導入、手糊等,根據不同的產品需求及量綱要求提供整體解決方案。
公司團隊在汽車零部件配套的不同專業領域如公司管理、市場營銷、項目管理、產品及工藝設計開發、質量管理等均擁有15年以上的從業經驗,并有著與VOLVO、神龍、通用、上汽等客戶多年的開發供貨經驗,具備從產品概念設計、模擬分析、模具設計、樣品制造、試驗驗證、一直到批量生產的能力,因此公司致力于碳纖維、玻璃纖維等汽車及性能要求更高的工業設備方面的應用。