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"高碳"的未來 汽車碳纖維應用技術解析
2010-11-19 06:21:29 來源:
碳纖維在汽車領域的應用率先從賽車開始，近年來在民用汽車中得到了廣泛的引用。涂著清漆，故意露出深沉的黑色編織花紋的碳纖維組件已不單單只是為了看上去拉風，“高碳”之風越刮越烈。
版權聲明：本文版權為所有，轉載請注明出處。
網易汽車11月19日報道 碳纖維，又稱碳化纖維，泛指一些以碳纖維編織或多層復合而成的材料。因為它又輕又堅硬，所以它的用途很廣泛。碳纖維在汽車領域的應用率先從賽車開始，近年來在民用汽車中得到了廣泛的引用。涂著清漆，故意露出深沉的黑色編織花紋的碳纖維組件已不單單只是為了看上去拉風，“高碳”之風越刮越烈。
什么是碳纖維？
一般碳纖維的密度為1750 kg/立方米，如此低的密度讓其更是廣泛被使用于大型飛機，例如空中客車的A350與A380，波音787均利用碳纖維復合材料來減輕耗油量。另外大型風力發電機的葉片，賽車、高端自行車的車身均為碳纖維復合材料需求量增加的重要因素。
直徑6微米的碳纖維與后面人類頭發的比較
每一根碳纖維由數千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5至8微米。在原子層面的碳纖維跟石墨很相近，是由一層層以六角型排列的碳原子所構成。兩者差別在于層與層之間的連結。石墨是晶體結構，它的層間連結松散，而碳纖維不是晶體結構，層間連結是不規則的。這樣便防止滑移增強物質強度。
碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現出很高的強度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結構組件時，往往利用其耐拉質輕的優勢而避免去做承受側面沖擊的部分。
可軟可硬的碳纖維
既然是纖維織物材料，所以碳纖維可以被紡織成碳纖維布來從線變成面，同時保持著超輕、柔軟、耐拉的特性，可是它如何變成堅硬的車體組件的呢？
柔軟的碳纖維布
從紙般柔軟到鋼鐵般強硬的質變過程，通過在模具中按纖維方向交錯疊放碳纖維布，利用環氧樹脂粘接劑將多層切割好的碳纖維布逐層站在一起，這一過程需要用5到10層甚至更多蹭薄如蟬翼的碳纖維布，粘合成加厚版碳纖維布。這時它的柔韌性已經非常的差，幾乎跟剛性材料差不多。其原理就如同將一頁紙完全粘貼成一疊厚厚的紙堆，紙堆就會變得堅固。
粘接好的半成品
之后再采利用高溫高壓烤箱來使粘合后的體積進一步壓縮、強化，最終出爐的將是組件的成品毛坯，進過去毛邊、打磨、拋光等工序，亮閃閃的車身組件就加工好了。這一過程看似簡單，但是其中碳纖維布的成本以及工序成本，仍然使這一工藝無法大規模應用，所生產的產品也是異常昂貴。
全碳自行車架
全碳車身的帕加尼 R超級跑車
帕加尼Zonda Cinques的碳纖維花紋完全不用車漆來修飾
摸上去手感與塑料差不多，卻有著鋼鐵一般強度和韌性的碳纖維組件，不僅能夠幫助整車有效減重，更由于其昂貴的特性而變成奢華的象征。以法拉利、蘭博基尼、帕加尼等為代表的意大利超級跑車想必大家非常熟悉，為了追求輕量化，由于制造過程幾乎不計成本，所以在車上大規模應用碳纖維組件甚至整車使用碳纖維材料完全不是難題。
碳纖維汽車組件輕量化程度之高
愛恨交加的碳纖維
說到愛恨交加，這是因為在F1方程式賽車領域，全車碳纖維已不是新鮮的技術。分秒必爭的激烈競爭以及日益嚴苛的比賽規則強迫各大車隊去重視碳纖維技術的應用，可能出了動力系統之外余下的組件能用碳纖維實現的都已經實現。
賽車史上最令人扼腕惋惜的塞納也正是由于在事故時，堅硬的碳纖維組件（一說是車軸）刺破了塞納的頭盔導致他當場離世。
2007年庫比卡的驚魂一撞
時過境遷，經過精密計算和加工的單體殼車體，能夠滿足F1方程式賽車在極端碰撞下不變形的技術要求，喜歡看F1的車迷朋友肯定會記得2007年加拿大站庫比卡的賽車以超過300km/h的速度撞到防護墻，賽車被彈到空中掉落翻滾在賽道的另一頭從，賽車基本粉碎，可是座艙保持完好，車內的庫比卡事后檢查只是扭傷了腳踝，竟然沒耽誤下一次的比賽。
McLaren的碳纖維車體
最前端的部分就是碳纖維潰縮柱
在民用汽車領域，奔馳嘗試應用碳纖維材料作為潰縮區域，首先在SLR McLaren上得到了應用。呈尖塔狀的碳纖維潰縮柱由無數根粗壯的碳纖維經過編織而成，雖然結構依舊無比堅硬，但是在設計上讓它能夠在正面碰撞時破碎成無數細小的碎片，來吸收大量的能量，并且碎片不會對人造成傷害，這一點非常類似于汽車鋼化玻璃的破碎原理。
寶馬已經開始嘗試全碳車體在小型車上的應用
只是相對于金屬材料的可回收、可修復性來說，碳纖維的潰縮柱是一次性產品，高昂的價格讓它目前只能應用在超級跑車領域。
人人買得起的碳纖維
目前碳纖維材料在民用量產汽車，尤其是中檔產品應用也十分廣泛，很多廠商也已經開始提供碳纖維材料的小組件，如后視鏡殼、內飾門板、門把手、排擋桿、賽車座椅、空氣套件等，同時可以原裝位安裝到發動機艙的風箱、進氣歧管等碳纖維改裝件也是品種繁多。
碳纖維進氣歧管
碳纖維傳動軸
碳纖維汽車座椅
因此，碳纖維材料在汽車領域的應用越來越多也越來越廣泛，相信在不久的未來，汽車排放越來越“低碳”，而汽車本身則會越來越“高碳”。
無論發動機、變速箱還是底盤、懸架，《技術大獎堂》用深入淺出的語言全方位的向你闡述汽車各方面的先進技術。看過《技術大講堂》后你會對汽車有著更加全面的了解，4S店的銷售人員很難再用那些聽上去神乎其神的技術名詞對忽悠你，你將成為一個真正的汽車技術達人。
(本文來源：網易汽車 作者：王云龍)
2010-11-19 06:21:29 來源:
碳纖維在汽車領域的應用率先從賽車開始，近年來在民用汽車中得到了廣泛的引用。涂著清漆，故意露出深沉的黑色編織花紋的碳纖維組件已不單單只是為了看上去拉風，“高碳”之風越刮越烈。
版權聲明：本文版權為所有，轉載請注明出處。
網易汽車11月19日報道 碳纖維，又稱碳化纖維，泛指一些以碳纖維編織或多層復合而成的材料。因為它又輕又堅硬，所以它的用途很廣泛。碳纖維在汽車領域的應用率先從賽車開始，近年來在民用汽車中得到了廣泛的引用。涂著清漆，故意露出深沉的黑色編織花紋的碳纖維組件已不單單只是為了看上去拉風，“高碳”之風越刮越烈。
什么是碳纖維？
一般碳纖維的密度為1750 kg/立方米，如此低的密度讓其更是廣泛被使用于大型飛機，例如空中客車的A350與A380，波音787均利用碳纖維復合材料來減輕耗油量。另外大型風力發電機的葉片，賽車、高端自行車的車身均為碳纖維復合材料需求量增加的重要因素。
直徑6微米的碳纖維與后面人類頭發的比較
每一根碳纖維由數千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5至8微米。在原子層面的碳纖維跟石墨很相近，是由一層層以六角型排列的碳原子所構成。兩者差別在于層與層之間的連結。石墨是晶體結構，它的層間連結松散，而碳纖維不是晶體結構，層間連結是不規則的。這樣便防止滑移增強物質強度。
碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現出很高的強度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結構組件時，往往利用其耐拉質輕的優勢而避免去做承受側面沖擊的部分。
可軟可硬的碳纖維
既然是纖維織物材料，所以碳纖維可以被紡織成碳纖維布來從線變成面，同時保持著超輕、柔軟、耐拉的特性，可是它如何變成堅硬的車體組件的呢？
柔軟的碳纖維布
從紙般柔軟到鋼鐵般強硬的質變過程，通過在模具中按纖維方向交錯疊放碳纖維布，利用環氧樹脂粘接劑將多層切割好的碳纖維布逐層站在一起，這一過程需要用5到10層甚至更多蹭薄如蟬翼的碳纖維布，粘合成加厚版碳纖維布。這時它的柔韌性已經非常的差，幾乎跟剛性材料差不多。其原理就如同將一頁紙完全粘貼成一疊厚厚的紙堆，紙堆就會變得堅固。
粘接好的半成品
之后再采利用高溫高壓烤箱來使粘合后的體積進一步壓縮、強化，最終出爐的將是組件的成品毛坯，進過去毛邊、打磨、拋光等工序，亮閃閃的車身組件就加工好了。這一過程看似簡單，但是其中碳纖維布的成本以及工序成本，仍然使這一工藝無法大規模應用，所生產的產品也是異常昂貴。
全碳自行車架
全碳車身的帕加尼 R超級跑車
帕加尼Zonda Cinques的碳纖維花紋完全不用車漆來修飾
摸上去手感與塑料差不多，卻有著鋼鐵一般強度和韌性的碳纖維組件，不僅能夠幫助整車有效減重，更由于其昂貴的特性而變成奢華的象征。以法拉利、蘭博基尼、帕加尼等為代表的意大利超級跑車想必大家非常熟悉，為了追求輕量化，由于制造過程幾乎不計成本，所以在車上大規模應用碳纖維組件甚至整車使用碳纖維材料完全不是難題。
碳纖維汽車組件輕量化程度之高
愛恨交加的碳纖維
說到愛恨交加，這是因為在F1方程式賽車領域，全車碳纖維已不是新鮮的技術。分秒必爭的激烈競爭以及日益嚴苛的比賽規則強迫各大車隊去重視碳纖維技術的應用，可能出了動力系統之外余下的組件能用碳纖維實現的都已經實現。
賽車史上最令人扼腕惋惜的塞納也正是由于在事故時，堅硬的碳纖維組件（一說是車軸）刺破了塞納的頭盔導致他當場離世。
2007年庫比卡的驚魂一撞
時過境遷，經過精密計算和加工的單體殼車體，能夠滿足F1方程式賽車在極端碰撞下不變形的技術要求，喜歡看F1的車迷朋友肯定會記得2007年加拿大站庫比卡的賽車以超過300km/h的速度撞到防護墻，賽車被彈到空中掉落翻滾在賽道的另一頭從，賽車基本粉碎，可是座艙保持完好，車內的庫比卡事后檢查只是扭傷了腳踝，竟然沒耽誤下一次的比賽。
McLaren的碳纖維車體
最前端的部分就是碳纖維潰縮柱
在民用汽車領域，奔馳嘗試應用碳纖維材料作為潰縮區域，首先在SLR McLaren上得到了應用。呈尖塔狀的碳纖維潰縮柱由無數根粗壯的碳纖維經過編織而成，雖然結構依舊無比堅硬，但是在設計上讓它能夠在正面碰撞時破碎成無數細小的碎片，來吸收大量的能量，并且碎片不會對人造成傷害，這一點非常類似于汽車鋼化玻璃的破碎原理。
寶馬已經開始嘗試全碳車體在小型車上的應用
只是相對于金屬材料的可回收、可修復性來說，碳纖維的潰縮柱是一次性產品，高昂的價格讓它目前只能應用在超級跑車領域。
人人買得起的碳纖維
目前碳纖維材料在民用量產汽車，尤其是中檔產品應用也十分廣泛，很多廠商也已經開始提供碳纖維材料的小組件，如后視鏡殼、內飾門板、門把手、排擋桿、賽車座椅、空氣套件等，同時可以原裝位安裝到發動機艙的風箱、進氣歧管等碳纖維改裝件也是品種繁多。
碳纖維進氣歧管
碳纖維傳動軸
碳纖維汽車座椅
因此，碳纖維材料在汽車領域的應用越來越多也越來越廣泛，相信在不久的未來，汽車排放越來越“低碳”，而汽車本身則會越來越“高碳”。
無論發動機、變速箱還是底盤、懸架，《技術大獎堂》用深入淺出的語言全方位的向你闡述汽車各方面的先進技術。看過《技術大講堂》后你會對汽車有著更加全面的了解，4S店的銷售人員很難再用那些聽上去神乎其神的技術名詞對忽悠你，你將成為一個真正的汽車技術達人。
(本文來源：網易汽車 作者：王云龍)
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