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汽车领域的碳纤维时代即将到来!你了解多少?
双击自动滚屏 发布者:admin 发布时间:2010/5/16 12:03:49 阅读:1202次 【字体:

请关注我们汽车碳纤维升级改装技术咨询13631822122 朱生

说起碳纤维外饰件,或许很多车友第一反应便是“高大上”。无可否认,碳纤维在如PU、玻璃纤维、铝等众多车辆外饰改装材料中,价钱的确是相对“土豪”,甚至最初也只是用在军用、航天等少部分领域,技术则把持在美国、日本等少数国家手中。但随着专利技术开放与普及化,碳纤维也从“旧时王谢堂前燕”飞入了寻常百姓家,而在汽车领域的应用,则从最初的赛车,到现在的民用改装,越来越多碳纤维部品进入改装车友的视野,近几年更是有迅速增长之势,即使其价钱对于不少车友来说仍然是“可望不敢及”!
是什么原因让碳纤维受到如此追捧?在此与大家一起探索……

 

 黑丝魅力——碳纤维的历史及特性
在20世纪70年代末期,碳纤维材料首先应用在飞机机翼上,而在汽车领域上,碳纤维材料则最先出现在赛车,McLaren车队在1981年首次以碳纤维材料制造整个F1赛车底盘,取代传统的铝制底盘,以取碳纤维具有各向异性,撞击时可以快速碎裂吸收碰撞能量的特点。到后来,F1赛车进入了全面碳纤维时代,采用碳纤维复合材料打造出乘员舱拥有极高的强度,在事故中挽救了无数车手的生命,特别是库比卡在2007年加拿大站驾驶F1赛车发送的那场事故:赛车以超过300km/h的速度撞到防护墙严重损毁,但碳纤维座舱保持完好,而库比卡事后检查只是扭伤了脚踝。除了高强度带来的安全性外,轻量的碳纤维还能大大降低车身重量。
目前在民用原厂车型来说,碳纤维部件的应用还是非常的少,或许最常见的,就在那帮超跑身上了。熟悉的如Pagani Zonda F全碳纤维车身,迈凯伦MP4-12C以及Aventador LP700-4采用碳纤维单体构造式车舱,除此之外,在一些高性能车上也会采用碳纤维部件做装饰以及减重之用。
或许碳纤维在本质上只是一种纤维,只不过中具有超高强度和模量(材料在受力状态下应力与应变之比,模量越高,使材料发生形变所需的力就越大)。每一根碳纤维由数千条更微小直径约5至8微米的碳纤维丝所组成。在原子层面的碳纤维跟石墨很相近,是由一层层以六角形排列的碳原子所构成,两者差别在于层与层之间的连接:石墨是晶体结构,它的层间连接松散,而碳纤维层间连接是不规则的,这样便防止滑移增强物质强度,因而碳纤维具有更高的强度。

 

碳纤维应用于汽车领域的优势
1
轻,是我本色
·密度比铝低35%,不到钢的1/4。
·轻量化可以增大马力推重比,另外还有效节省燃油。

碳纤维轻量化的主要原因是因为其密度低,在汽车上常用的刚性材料中,铁的密度是7.0-7.55g/m³,钢是7.8-7.85g/m³,铝是2.7g/m³,而一般碳纤维的密度只有1.75g/m³。比铝还要轻35%,不到钢的1/4。轻量化对于车辆而言,明显的好处便是马力推重比更大,车辆性能更好,同时也会更省油。近年来碳纤维更是广泛被使用于大型飞机,例如空中客车A380、波音787均利用碳纤维复合材料来降低质量,同时达到减少耗油量目的。

而碳纤维在汽车上的轻量化优势有多明显?举三个例子:McLaren  MP4-12C采用的碳纤维单体式座舱仅重80kg,并且相比竞争对手和前任的McLaren  F1 超跑用多块冲压钢板焊接而成的车体更结实。著名改装公司PPI基于R8 V10改造的全碳纤车身版R8  RAZOR GTR10使其比普通版请了250kg。今年的F1夺冠大热门奔驰W05赛车总重690kg,其中还包含67kg的车手,以及145kg的1.6L V6发动机,另外还有变速箱、轮圈、冷却水、润滑油等等,可以想象其采用碳纤维打造的车架及车身有多轻。

2
硬,是我姿态
·碳纤维增强环氧树脂复合材料其强度、模量综合指标在现有结构材料中最高。
·碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500兆帕以上,是钢的7到9倍。
·碳纤维疲劳强度是金属材料的2倍以上,并在破坏前有变形显著的征兆。

碳纤维因其特殊的原子结构,除了轻量化外其还兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征,碳纤维拉伸强度约为2-7GPa(10的9次方),拉伸模量约为200-700GPa。碳纤维增强环氧树脂复合材料(一般我们汽车使用的碳纤维部件便采用这种材料),其强度、模量综合指标在现有结构材料中是最高的。而碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500兆帕以上,是钢的7到9倍,抗拉弹性模量为230到430GPa也高于刚。比强度(即材料的强度与其密度之比)可达到2000MPa(10的6次方)以上,而A3刚的比强度仅为59MPa左右。与传统的玻璃纤维相比,杨氏模量(指表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量)是玻璃纤维的3倍多;是凯芙拉纤维的2倍左右。
另外在疲劳强度方面,金属材料在交变应力作用下,疲劳极限仅为静荷强度的30%-40%。而由于碳纤维与基体复合可缓和裂纹扩展以及存在纤维内力再分配的可能性,碳纤维复合材料的疲劳极限为70-80%,并在破坏前有明显变形的征兆。

3
优秀的耐热性能
·可在380℃左右的高温环境下使用。
·温度越高,碳纤维对比其他材料强度越大。
·完全不存在生锈问题。


碳纤维的化学性质与碳相似,它可在380℃左右的高温环境下使用,在空气中温度高于400℃时则出现明显的氧化,生成CO与CO₂。在不接触空气和氧化剂时,碳纤维能够耐受3000℃以上的高温,具有突出的耐热性能,与其它材料相比,碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降,在这范围内温度越高,纤维对比其他材料强度越大。另外碳纤维还具有良好的耐低温性能,如在液氮温度下也不脆化。
碳纤维除能被强氧化剂氧化外,对一般碱性是惰性的。其对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性,不溶不胀,耐蚀性出类拔萃,完全不存在生锈的问题。但其耐冲击性较差,容易损伤,在强酸作用下发生氧化。另外当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此,碳纤维在使用前须进行表面处理,加上光油便是常见的做法。虽然碳纤维的天然颜色是黑色,有些人会觉得不够个性,但事实上还可以把它染上不同的颜色,个性问题便不再困扰。

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