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技术前沿:汽车碳纤维材料误区解读
时间:2016-09-26  来源:中国聚合物网  点击:709

关键点:错把碳纤维与碳纤维增强复合材料混为一谈

将人造纤维类材质用于汽车的生产已经由来已久,如今几乎所有的一线厂商都有使用碳纤维类材质制造的汽车。

碳纤维和碳纤维增强复合材料

两者的关系就像面粉与干粮,即所有人都知道碳纤维原材料,但根据需求生产出高性能复合材料才是难点和关键点。

另外从物理构成讲:碳纤维几乎全部由“碳”构成(通常在95%以上),而增强复合材料就要增加很多元素以满足更高的使用需求。最常见的就有聚丙烯晴基纤维、黏胶丝和沥青基纤维等,特性不同、档次也不同,后文我们会展开介绍。

碳纤维几乎全部由“碳”构成(通常在95%以上)是一种纤维状的碳材料,复合材料通常会与树脂结合

另外从称谓的角度来说:碳纤维(CarbonFiber)的英文简称是CF,而碳纤维增强复合材料 (CarbonFiberReinforcedPlastic)的英文简称则是CFRP,比如前不久刚刚在上亮相的XLSport混动性能车以及刚刚在国 内上市的宝马i系列车型都是采用的CFRP,即碳纤维增强复合材料制造的车身主体。

常见误区二:提到碳纤维就认为是一种高级材质

关键点:碳纤维类材质也有高低档之分,主要与制造工艺相关

提到碳纤维类材质,我们首先能想到的便是坚固、轻量并且价格昂贵(相比传统和材质而言),当然这并不错,因为 能够应用到性能车型甚至是F1赛车上的碳纤维类类材质确实都是高端产品。只是这并不代表碳纤维类产品就没有低档货,当中良莠不齐的生产质量和制造工艺流程 是区分高低端产品的关键。

事实上,碳纤维只是个广义上物质界定,根据应用需求衍生出的复合类材质其实超级多,分类的维度也很多,比如可 以按原丝类型分、物理性能分、应用功能分、制造方法分等等,相应的就有了高低档次之分。这里就按原丝类型来分,通常就有聚丙烯晴基纤维、黏胶丝和沥青基纤 维等种类,而不用原料则意味着碳化得率的不同。这当中,用聚丙烯生产的碳纤维产量最多(约占市场的95%左右),它的碳化得率约为50%-60%左右,属 于比较高的范围,而以沥青纤维为原料,碳化得率能达到80-90%,同时成本还更低,也是目前积极发展的类型。

另一个决定碳纤维用途和档次的问题,就是制造工艺,最简单的,我们都知道生产碳纤维类材料通常需要超高温热处 理步骤(通常在300℃-2000℃量级上),不同烧制温度会直接影响产品的特性的成本,从而不同碳纤维类材料之间的差价可能在几倍甚至几十倍上下。另 外,高温烧制往往也意味着大量的消耗,当然这就属于维度的问题了,我们暂且不提。

常见误区三:因为纹理相似,所以认为碳纤维材质与凯夫拉材质是同类

关键点:两者物理特性、知识产权所属等都有本质性不同

1972年凯夫拉成为美国杜邦所有的注册商标

按照化学式不同,芳纶纤维材料可分对位和间位两种,杜邦的对位芳纶品牌位KEVLAR,间位芳纶品牌位NOMEX。

在一次参观宝马X5防弹车时,现场观众之间的交流问题。另外当时还有位朋友不解的问:每年碳纤维类材料的产量很大,而凯夫拉材质(KEVLAR)年产量要少的多,为什么防弹材料不用碳纤维而用凯夫拉呢?

前面已经介绍过碳纤维,它其实就是一种纤维状的碳材料;而凯夫拉纤维材质则是美国杜邦(DuPont)公司对 芳纶纤维材料产品的品牌名,它的化学名称应该叫:聚对苯二甲酰对苯二胺,由于同属人造纤维类材料,并且拥有相似的工艺流程,因而在视觉感受上确实有相似之 处,但其实是不同的。

反应材料的特性,最直接的方法就是看应用,比如凯夫拉材质会用在普通防弹盔甲甚至是坦克的防弹装甲中,而不会 用碳纤维材质替代,这当中的很重要的原因就是,凯夫拉材质的韧性更佳,可以利用更好的塑性变形来吸收外部冲击能量;而碳纤维则是脆性的,当外部能量超过极 限值后就会发生断裂,这有个专业的比对词汇叫做“模量”(类似弹簧系数)。毋庸置疑,凯夫拉的模量数值要高于碳纤维类材质。

首先,碳纤维增强复合材料是碳纤维的实际应用,两者相互依存但又不在同一层面;同时碳纤维类材质与其他材质相 同,也有好坏高低之分,只是更多时候我们在性能车上见到的都属于高端产品;另外,相比于凯夫拉材质,两者确实有共性之处,并且均为高强度人造纤维材质,但 依旧不能相互等同。

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