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标题: 碳纤维复合材料—德国慕尼黑通用研究中心所见 [打印本页]

作者: whitejie 时间: 2015-4-17 11:03
标题: 碳纤维复合材料—德国慕尼黑通用研究中心所见

神奇的碳纤维复合材料

碳纤维复合材料世界真的很神奇！碳纤维是一种轻质高强度的新型纤维材料，不仅在汽车和飞机等高大上的交通工具上有它的身影，而且，自行车、高尔夫球杆甚至钱包，都可以用碳纤维制造，足以证明它的“神通广大”。不过由于其制备工艺的复杂性和原料的高成本，目前碳纤维应用在中国这块土地上还并不广泛，但在国外已经有较为成熟的应用了。下面将介绍碳纤维复合材料有关的有趣知识。

碳纤维复合材料的工艺流程
碳纤维复合材料的优异性能得益于它的组成物和制备时添加的胶或环氧树脂，碳纤维复合材料是由处理过的碳纤维长丝制成的，碳丝的厚度比人的头发还要细，0.7 μm。制备时添加的环氧树脂能够让各种材料充分混合，并“固化”。通常，在制备碳纤维复合材料时，你需要用到一个模具，用来放置碳纤维及其基体材料。在莫尼黑的通用研究中心，我们见到的是机器人将碳纤维沿着一块大塑料板放置。但同样也存在非机械的人工放置碳纤维的处理方法，如手工铺层。

没有添加树脂的碳丝还称不上是碳纤维复合材料。碳纤维自动放置机械会将碳纤维浸泡在环氧树脂中，并用使之成型。长线轴中的原丝是被冷处理过的，为了防止树脂固化，而当这些原丝被放置在模具表面上时，机械会瞬间加热它，让它马上固化。添加树脂的方式是多种多样的。赛车和碳布片材中的高强度碳纤维就是用注射的方法来加入树脂的。有的时候，会用刷子给碳纤维涂上一层树脂，然后再放入模具。在经过原丝制备、上浆处理后，等到碳纤维固化了，产品就真正做好了。固化过程常常用到的方法是加热，不过有的环氧树脂在室温下的固化效果更好，或者将环氧树脂放在真空中加压。固化现象跟一般的固化过程类似，只不过这里的树脂起到的作用是让碳纤维更好的硬化。此外，碳纤维在固化过程中可能会发生化学反应，生成原丝材料中不含碳的物质，导致纤维颗粒之间的团聚作用力更加强。这样，最后得到的就是我们所说的“碳纤维复合材料”了，呈黑色，看起来就像一块布，不过它非常的坚硬。

碳纤维复合材料的地位
复合材料常常是能用一系列不同的材料合成的，但碳纤维往往在需要刚度和轻质的地方却是无可替代的。这可能是因为碳原子的特性，科学研究表明碳原子非常容易和其他原子成键。碳元素是一种非常有意思的元素，自然界中最坚硬的东西(金刚石)是碳单质，硬度最低的物质之一(石墨)也是碳单质。一般来说，用碳制备的材料和用其他单质制得的材料物性一样，都跟原子/分子成键的方式以及原子/分子团聚的方式有关。在这里，我们不谈太高深的化学知识，仅做简单类比：碳原子的成键方式是多种多样的，就像六面都有双头螺钉的乐高积木一样，成键选择非常的多。

   碳原子间的成键方式决定了材料的性质。对石墨材料，碳原子是一层层堆积的，同一平面上的碳原子间所成的键非常强，但平面间的碳原子所成的键比较弱，这使得石墨材料非常容易分离(也使得石墨导电性能非常好)。而对于金刚石，碳原子成的键是三维的，晶胞属于四方晶格，尽管单个键的键能比石墨的键能要低，但是它所有方向的键能都是相同的(表面原子除外)，因此材料整体显得坚硬得多。
为什么不用这种材料制备所有的东西
   碳纤维是一种非常精巧的材料，它具有非常卓越的性能。在同等尺寸大小下，碳纤维往往比金属的硬度更强，密度更小，这就是为什么碳纤维常常被用于车体外板和喷射式涡轮当中的原因。硬度这个性质其实包括了很多衡量指标。具体来说，碳纤维的抗张强度(即对抗拉伸的能力)是钢的4倍，铝的8倍。而它抗弯曲的能力也比钢材和铝材大得多。并且，尽管碳纤维强度很大，但是它的质量却并不重，相反地，碳纤维的质量只有同体积钢的三分之一。

   了解了这么多关于碳纤维的优异性能，那为什么不用这种材料制备所有的东西？显然这并不是碳纤维材料的问题，只要负担得起高昂的成本，你可以用碳纤维制造任何你想要的物品。比如买自行车，只要你愿意付比铝材自行车多3到10倍的价钱，那么你当然可以拥有一辆碳纤维自行车。在进口车辆中，碳纤维材料非常的常见，甚至一些非常平价的车，比如雪佛兰科尔维特，也使用了碳纤维材料，只要不在意价钱，你能为你的爱车买到各种碳纤维组件，也能为你自己买到各种碳纤维生活用品。或许你会问，有使用碳纤维材料的高尔夫球杆吗?答案是肯定的，甚至大部分高尔夫球员所使用的球杆都是碳纤维的，毕竟职业球员是舍得花这份钱的。所以，只有降低成本才能使得碳纤维复合材料遍地开花。

      但同时我们也应当意识到，随着技术的进步，这都不是问题。我在之前的帖子里分享过部分碳纤维应用前景的分析，这里就不再赘述。对于设计者而言，现在眼光应当着眼于较高端、迎合政策的行业，而对于明天，应当看的更远，加强自身储备。从降低成本的角度，发挥设计者的聪明才智，来降低产品的成本。

作者: 自信无声 时间: 2015-4-17 12:14
很好的资料，谢谢分享

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