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高碳的未来世界!汽车碳纤维应用解析

发布时间:2012年02月29日 17:36 | 进入汽车论坛 | 来源:网易汽车1 | 手机看视频


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碳纤维,又称碳化纤维,泛指一些以碳纤维编织或多层复合而成的材料。因为它又轻又坚硬,所以它的用途很广泛。碳纤维在汽车领域的应用率先从赛车开始,近年来在民用汽车中得到了广泛的引用。涂着清漆,故意露出深沉的黑色编织花纹的碳纤维组件已不单单只是为了看上去拉风,“高碳”之风越刮越烈。

高碳的未来世界!汽车碳纤维应用解析


什么是碳纤维?

一般碳纤维的密度为1750 kg/立方米,如此低的密度让其更是广泛被使用于大型飞机,例如空中客车的A350与A380,波音787均利用碳纤维复合材料来减轻耗油量。另外大型风力发电机的叶片,赛车、高端自行车的车身均为碳纤维复合材料需求量增加的重要因素。

直径6微米的碳纤维与后面人类头发的比较

每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成,直径大约5至8微米。在原子层面的碳纤维跟石墨很相近,是由一层层以六角型排列的碳原子所构成。两者差别在于层与层之间的连结。石墨是晶体结构,它的层间连结松散,而碳纤维不是晶体结构,层间连结是不规则的。这样便防止滑移增强物质强度。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa也高于钢。但碳纤维材料也只是沿纤维轴方向表现出很高的强度,其耐冲击性却较差,容易损伤,所以在制造成为结构组件时,往往利用其耐拉质轻的优势而避免去做承受侧面冲击的部分。

可软可硬的碳纤维

既然是纤维织物材料,所以碳纤维可以被纺织成碳纤维布来从线变成面,同时保持着超轻、柔软、耐拉的特性,可是它如何变成坚硬的车体组件的呢?

柔软的碳纤维布

从纸般柔软到钢铁般强硬的质变过程,通过在模具中按纤维方向交错叠放碳纤维布,利用环氧树脂粘接剂将多层切割好的碳纤维布逐层站在一起,这一过程需要用5到10层甚至更多蹭薄如蝉翼的碳纤维布,粘合成加厚版碳纤维布。这时它的柔韧性已经非常的差,几乎跟刚性材料差不多。其原理就如同将一页纸完全粘贴成一叠厚厚的纸堆,纸堆就会变得坚固。

粘接好的半成品

之后再采利用高温高压烤箱来使粘合后的体积进一步压缩、强化,最终出炉的将是组件的成品毛坯,进过去毛边、打磨、抛光等工序,亮闪闪的车身组件就加工好了。这一过程看似简单,但是其中碳纤维布的成本以及工序成本,仍然使这一工艺无法大规模应用,所生产的产品也是异常昂贵。

全碳自行车架

全碳车身的帕加尼Zonda R超级跑车

帕加尼Zonda Cinques的碳纤维花纹完全不用车漆来修饰

摸上去手感与塑料差不多,却有着钢铁一般强度和韧性的碳纤维组件,不仅能够帮助整车有效减重,更由于其昂贵的特性而变成奢华的象征。以法拉利、兰博基尼、帕加尼等为代表的意大利超级跑车想必大家非常熟悉,为了追求轻量化,由于制造过程几乎不计成本,所以在车上大规模应用碳纤维组件甚至整车使用碳纤维材料完全不是难题。

碳纤维汽车组件轻量化程度之高

爱恨交加的碳纤维

说到爱恨交加,这是因为在F1方程式赛车领域,全车碳纤维已不是新鲜的技术。分秒必争的激烈竞争以及日益严苛的比赛规则强迫各大车队去重视碳纤维技术的应用,可能出了动力系统之外余下的组件能用碳纤维实现的都已经实现。


赛车史上最令人扼腕惋惜的塞纳也正是由于在事故时,坚硬的碳纤维组件(一说是车轴)刺破了塞纳的头盔导致他当场离世。

2007年库比卡的惊魂一撞

时过境迁,经过精密计算和加工的单体壳车体,能够满足F1方程式赛车在极端碰撞下不变形的技术要求,喜欢看F1的车迷朋友肯定会记得2007年加拿大站库比卡的赛车以超过300km/h的速度撞到防护墙,赛车被弹到空中掉落翻滚在赛道的另一头从,赛车基本粉碎,可是座舱保持完好,车内的库比卡事后检查只是扭伤了脚踝,竟然没耽误下一次的比赛。

奔驰SLR McLaren的碳纤维车体

最前端的部分就是碳纤维溃缩柱

在民用汽车领域,奔驰尝试应用碳纤维材料作为溃缩区域,首先在SLR McLaren上得到了应用。呈尖塔状的碳纤维溃缩柱由无数根粗壮的碳纤维经过编织而成,虽然结构依旧无比坚硬,但是在设计上让它能够在正面碰撞时破碎成无数细小的碎片,来吸收大量的能量,并且碎片不会对人造成伤害,这一点非常类似于汽车钢化玻璃的破碎原理。

宝马已经开始尝试全碳车体在小型车上的应用

只是相对于金属材料的可回收、可修复性来说,碳纤维的溃缩柱是一次性产品,高昂的价格让它目前只能应用在超级跑车领域。

人人买得起的碳纤维

碳纤维材料在民用量产汽车,尤其是中档产品应用也十分广泛,很多厂商也已经开始提供碳纤维材料的小组件,如后视镜壳、内饰门板、门把手、排挡杆、赛车座椅、空气套件等,同时可以原装位安装到发动机舱的风箱、进气歧管等碳纤维改装件也是品种繁多。

碳纤维进气歧管

碳纤维传动轴

碳纤维汽车座椅

因此,碳纤维材料在汽车领域的应用越来越多也越来越广泛,相信在不久的未来,汽车排放越来越“低碳”,而汽车本身则会越来越“高碳”。

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