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科普:汽车碳纤维部件误区
常见误区一:认为很多超级跑车用的都是碳纤维


   提及任重而道远的汽车轻量化问题,“碳纤维”这个名词似乎不能不说,坚固、轻盈和标志性纹理是人们对它的普遍印象;与此同时,高污染、高工艺、高价格也是客观存在的诟病;然而在探讨矛盾之前,我们更有必要先扫清些误解和习惯性认知的错误,今天我们就来聊聊这项并不算新奇的材料科技成果。



关键点:错把碳纤维碳纤维增强复合材料混为一谈


   这可能是我们听闻最多的习惯性描述:很多超级跑车使用了碳纤维。实际上,几乎所有高性能车型使用的“碳纤维”都是碳纤维增强复合材料。这里强调的关键点其实是复合工艺而不是碳纤维本身。举个更直白的例子:说“很多超级跑车使用了碳纤维”就好比说:今天职工食堂里卖的主食只有面粉,而准确的说法应该是:食堂卖的主食有面粉做的馒头、面粉做的花卷、面粉做的面条等等。它们基础原料相同,但添加成分和制作方法其实是明显不同的。因此,我们可以简单的把碳纤维与碳纤维增强复合材料理解为:面粉与干粮的关系。

   另外从物理构成讲:碳纤维几乎全部由“碳”构成(通常在95%以上),而增强复合材料就要增加很多元素以满足更高的使用需求。最常见的就有聚丙烯晴基纤维、黏胶丝和沥青基纤维等,特性不同、档次也不同,后文我们会展开介绍。

   另外从称谓的角度来说:碳纤维(Carbon Fiber)的英文简称是CF,而碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic)的英文简称则是CFRP,比如前不久刚刚在巴黎车展上亮相的大众XL Sport混动性能车以及刚刚在国内上市的宝马i系列车型都是采用的CFRP,即碳纤维增强复合材料制造的车身主体。


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常见误区二:提到碳纤维就认为是一种高级材质


关键点:碳纤维类材质也有高低档之分,主要与制造工艺相关


提到碳纤维类材质,我们首先能想到的便是坚固、轻量并且价格昂贵(相比传统钢铁和塑料材质而言),当然这并不错,因为能够应用到性能车型甚至是F1赛车上的碳纤维类类材质确实都是高端产品。只是这并不代表碳纤维类产品就没有低档货,当中良莠不齐的生产质量和制造工艺流程是区分高低端产品的关键。


   事实上,碳纤维只是个广义上物质界定,根据应用需求衍生出的复合类材质其实超级多,分类的维度也很多,比如可以按原丝类型分、物理性能分、应用功能分、制造方法分等等,相应的就有了高低档次之分。这里就按原丝类型来分,通常就有聚丙烯晴基纤维、黏胶丝和沥青基纤维等种类,而不用原料则意味着碳化得率的不同。这当中,用聚丙烯生产的碳纤维产量最多(约占市场的95%左右),它的碳化得率约为50%-60%左右,属于比较高的范围,而以沥青纤维为原料,碳化得率能达到80-90%,同时成本还更低,也是目前积极发展的类型。


另一个决定碳纤维用途和档次的问题,就是制造工艺,最简单的,我们都知道生产碳纤维类材料通常需要超高温热处理步骤(通常在300℃-2000℃量级上),不同烧制温度会直接影响产品的特性的成本,从而不同碳纤维类材料之间的差价可能在几倍甚至几十倍上下。另外,高温烧制往往也意味着大量能源的消耗,当然这就属于环保维度的问题了,我们暂且不提。

常见误区三:因为纹理相似,所以认为碳纤维材质与凯夫拉材质是同类


关键点:两者物理特性、知识产权所属等都有本质性不同



   

   这是在一次参观宝马X5防弹车时,现场观众之间的交流问题。另外当时还有位朋友不解的问:每年碳纤维类材料的产量很大,而凯夫拉材质(KEVLAR)年产量要少的多,为什么防弹材料不用碳纤维而用凯夫拉呢?



   反应材料的特性,最直接的方法就是看应用,比如凯夫拉材质会用在普通防弹盔甲甚至是坦克的防弹装甲中,而不会用碳纤维材质替代,这当中的很重要的原因就是,凯夫拉材质的韧性更佳,可以利用更好的塑性变形来吸收外部冲击能量;而碳纤维则是脆性的,当外部能量超过极限值后就会发生断裂,这有个专业的比对词汇叫做“模量”(类似弹簧系数)。毋庸置疑,凯夫拉的模量数值要高于碳纤维类材质。


   首先,碳纤维增强复合材料是碳纤维的实际应用,两者相互依存但又不在同一层面;同时碳纤维类材质与其他材质相同,也有好坏高低之分,只是更多时候我们在性能车上见到的都属于高端产品;另外,相比于凯夫拉材质,两者确实有共性之处,并且均为高强度人造纤维材质,但依旧不能相互等同。



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