這些年,對碳纖維材料的誤解有多深

  常見誤解一:認為很多超級跑車用的都是碳纖維
  關鍵點:把碳纖維與碳纖維增強復合材料弄混
  將纖維類材質用于的生產已經由來已久,如今幾乎所有的一線廠商都有使用碳纖維類材質制造的汽車。
  碳纖維和碳纖維增強復合材料
  兩者的關系就像面粉與干糧,即所有人都知道碳纖維原材料,但根據需求生產出高性能復合材料才是難點和關鍵點。
      
  另外從物理構成講:碳纖維幾乎全部由“碳”構成(通常在95%以上),而增強復合材料就要增加很多元素以滿足更高的使用需求。常見的就有聚丙烯晴基纖維、黏膠絲和瀝青基纖維等,特性不同、檔次也不同,后文我們會展開介紹。
      
  碳纖維幾乎全部由“碳”構成(通常在95%以上)是一種纖維狀的碳材料,復合材料通常會與樹脂結合
  另外從稱謂的角度來說:碳纖維(CarbonFiber)的英文簡稱是CF,而碳纖維增強復合材料 (Carbon Fiber Reinforced Plastic)的英文簡稱則是CFRP,比如一些汽車品牌系列車型都是采用的CFRP,即碳纖維增強復合材料制造的車身主體。此外還有工程上常用的碳纖維布,航空領域的航天器外殼,生活用品常見的錢包、球拍等。
      
  常見誤解二:提到碳纖維就認為是一種高級材質
  關鍵點:碳纖維類材質也有高低檔之分,主要與制造工藝相關
  提到碳纖維類材質,我們先能想到的便是堅固、輕量并且價格昂貴(相比傳統和材質而言),當然這并不錯,因為能夠應用到性能車型甚至是F1賽車上的碳纖維類類材質確實都是高端產品。只是這并不代表碳纖維類產品就沒有低檔貨,當中良莠不齊的生產質量和制造工藝流程是區分高低端產品的關鍵。
      
  事實上,碳纖維只是個廣義上物質界定,根據應用需求衍生出的復合類材質其實超級多,分類的維度也很多,比如可以按原絲類型分、物理性能分、應用功能分、制造方法分等等,相應的就有了高低檔次之分。
  按原絲類型來分,通常就有聚丙烯腈基纖維、黏膠絲和瀝青基纖維等種類,而不用原料則意味著碳化得率的不同。這當中,用聚丙烯生產的碳纖維產量多(約占市場的95%左右),它的碳化得率約為50%-60%左右,屬于比較高的范圍,而以瀝青纖維為原料,碳化得率能達到80-90%,同時成本還更低,也是目前積極發展的類型。
      
  另一個決定碳纖維用途和檔次的問題,就是制造工藝,簡單的,我們都知道生產碳纖維類材料通常需要超高溫熱處理步驟(通常在300℃-2000℃量級上),不同燒制溫度會直接影響產品的特性的成本,從而不同碳纖維類材料之間的差價可能在幾倍甚至幾十倍上下。另外,高溫燒制往往也意味著大量的消耗,當然這就屬于維度的問題了,我們暫且不提。
  常見誤解三:因為紋理相似,所以認為碳纖維材質與凱夫拉材質是同類
  關鍵點:兩者物理特性、知識產權所屬等都有本質性不同
  芳綸纖維
  芳綸纖維是一種新型高科技合成纖維,是由美國杜邦公司在20世紀60年代成功開發并率先產業化的纖維產品。其按照化學式不同,芳綸纖維材料可分對位和間位兩種。
      
  在寶馬X5防彈車展上,現場觀眾之間交流問題。曾有位觀眾不解的問:每年碳纖維類材料的產量很大,而凱夫拉材質(KEVLAR)年產量要少的多,為什么防彈材料不用碳纖維而用凱夫拉呢?實際這個問題并不太嚴謹,我們可以看相關數據,碳纖維和芳綸纖維在2014年產量就已基本持平。
      
  前面已經介紹過碳纖維,它其實就是一種纖維狀的碳材料;而凱夫拉纖維材質則是對芳綸纖維材料產品起的品牌名,它的化學名稱應該叫:聚對苯二甲酰對苯二胺。由于同屬人造纖維類材料,并且擁有相似的工藝流程,因而在視覺感受上確實有相似之處,但其實是不同的。
  要想了解反應材料的特性,直接的方法就是看應用,比如凱夫拉材質會用在普通防彈盔甲甚至是坦克的防彈裝甲中,而不會用碳纖維材質替代,這當中的很重要的原因就是,凱夫拉材質的韌性更佳,可以利用更好的塑性變形來吸收外部沖擊能量;而碳纖維則是脆性的,當外部能量超過極限值后就會發生斷裂,這有個專業的比對詞匯叫做“模量”(類似彈簧系數)。毋庸置疑,凱夫拉的模量數值要高于碳纖維類材質。
      
  先,碳纖維增強復合材料是碳纖維的實際應用,兩者相互依存但又不在同一層面;同時碳纖維類材質與其他材質相同,也有好壞高低之分,只是更多時候我們在性能車上見到的都屬于高端產品;另外,相比于凱夫拉材質,兩者確實有共性之處,并且均為高強度人造纖維材質,但依舊不能相互等同。其實在“加固技術”微信公眾號中“碳布與芳綸布 同為纖維卻又不同”這篇文章中介紹過在加固領域應用中具體不同之處,有興趣的朋友可以去來了解一下。
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