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有关碳纤维技术的基础知识储备

2020-04-04 08:29    艾森ECU升级(北京运营中心)


 
何为碳纤维

碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。纤维材料,有着强于钢而轻于铝的特点。据资料显示,其重量比铝轻30%、比钢轻50%,而强度是钢的7-9倍,有“轻量化材料之王”之称,并且有着绝佳的可设计性。

碳纤维规格

碳纤维的规格,指碳纤维丝束中单丝数量,1K=1000(根)、3K=3000(根)、6K=6000(根)、12K=12000(根)。同时,1K、3K、6K、12K也称为小丝束。按照碳纤维丝束中的单丝数量,碳纤维又可分为小丝束和大丝束两种。相比小丝束,大丝束的劣势在于,在制作板材等结构时,丝束不宜展开,导致单层厚度增加,不利于结构设计。此外,大丝束碳纤维粘连、断丝等现象更多,这样会使强度、刚度受影响,性能有所降低,性能的分散性也会较大。飞机、航天器一般只用小丝束碳纤维,因此小丝束碳纤维又被称为"宇航级"碳纤维,大丝束碳纤维被称为"工业级"碳纤维。


碳纤维制造工艺:

碳纤维增加复合材料制品主要因工艺不同而不同,碳纤维增强复合材料成型方法有很多种: 
手糊成型法: 分为干法(预浸料铺叠)和湿法(纤维织物和树脂胶交替使用)。手糊成型也用于制备预浸料毛坯,以用于模压等二次成型工艺中。这种方法是将碳纤维布片层压成在模具上形成最终产品的方法。通过选择织物纤维的排列和编织以优化所得材料的强度和刚度性质。然后用环氧树脂填充模具并加热或空气固化。这种制造方法常用于非受力性零件,比如引擎盖。   

 真空成型法: 针对铺叠而成的预浸料,需要通过一定工艺施加压力使其紧贴模具,在一定温度和压力下固化成型。真空袋法利用真空泵将成型袋内抽成真空,使袋与模具之间的负压形成压力,使复合材料紧贴模具。在真空袋法的基础上,后来又衍生出了真空袋-热压罐的成型方法。相比只使用真空袋的方法,热压罐可以提供更高的压力,并且对制件进行加热固化(代替了自然固化的过程),这样的制件结构更加紧实,表面质量更好,能够有效的消除气泡(气泡会很大影响制件的强度)整体质量更高。实际上,真空袋法的过程,跟手机贴膜有异曲同工之妙,消除气泡都是一大主要任务。   

  压缩成型法: 压缩成型是一种有利于批量化、大规模生产的成型办法。模具通常由上下两件制成,我们称之为阳模和阴模。成型过程是将预浸料铺叠而成的毛坯放入金属对模中,在一定的温度和压力作用下,使毛坯在模腔内受热塑化、受压流动并充满模腔,再而成型固化而获得制品。 然而,由于模具需要非常高精度的CNC加工,因此该方法相比前几种具有更高的初始成本。   压缩成型原理示意图   缠绕成型: 对于形状复杂或者呈旋转体的形状的制件,可以使用细丝卷绕器通过将细丝缠绕在心轴或芯上的方法来制件,在缠绕完成后固化并除去芯模。比如悬架系统使用的管状节臂就可以使用这种方法制成。   

树脂传递模塑成型: 树脂传递模塑(Resin Transfer Moulding,RTM)是目前比较热门的一种成型方法。其基本步骤为:  1.将准备好的的碳纤维织物坯件放置在模具中,并闭合模具。  2.将液体热固性树脂注入其中,浸润增强材料并固化。 


  总的来说,「材料成本」首当其冲,相比传统的金属材料,碳纤维增强复合材料所使用的碳丝和树脂材料的成本就很高。其次, 「工艺成本」也相当昂贵。相比传统的铸造、锻造等金属加工工艺,碳纤维增强复合材料的工序更加复杂、难度更大,人力、设备成本也水涨船高。除此之外,碳纤维增强复合材料的制件后处理工艺也会更复杂,包括制件的喷涂工艺、安装等。  但是,昂贵的价格,并不能阻止碳纤维增强复合材料越来越广泛的应用。与传统金属材料相比,碳纤维材料在强度、刚度、抗冲击性能上有相对优势,在单位重量上的绝对优势,成为其在赛车领域被广泛应用的主要原因。

碳纤维真假判定:

大概对碳纤有一定了解之后,我们再来分辨真假碳纤维,区分真假的第一个要素——必须是价格,由于制造碳纤维的工序复杂,加上本身的物料成本不便宜,所以,便宜肯定没有好货,如果你买到便宜的碳纤维成品,那么,你很大机率买到以黏纸和碳纤维烤漆居多的假碳纤维产品。

第二点,可以用肉眼分辨碳纤的质量。简单来说,你要检查一些细微的地方或者是细节位置,由于碳纤部件是经过铺布造型、涂树脂胶、真空处理、高温烘烤的过程,因此,任意一个步骤都有可能影响到碳纤维花纹的立体感,想要做到完美的呈现,这就很考师父的手工能力,特别是碳纤的弯角的细节部位,其过渡之处都可以很好地表达碳纤纹路清晰程度和丝滑程度。

另外,有些品牌就是“猜对了”你对碳纤制品不够了解,他们往往在其中间部位加入PU材质以增加碳纤维的厚度。最简单的辨别方法就是观察碳纤维的底部,如果底部不是碳纤维,那么就不是“100%”的碳纤维部件,由于碳纤维一定是常见的黑灰色,如果看到其他颜色就肯定是假货,当然,对于套路很深的产品,可以“屈指敲弹”的方式辨别产品的碳纤份量,两者敲出来的声音并不相同。

毕竟你花了高昂的价格买回来的,毕竟玻璃纤维和碳纤维的成本价格差距很大,除非它的价格是你认为在合理的范围之内吧。

结语

虽然碳纤维的主要材质为碳,但制造工艺和复杂的程序才是碳纤维造价不菲的原因,可能你会问市面上并非全部碳纤维套件都很昂贵,记住上述的三个辨别方法,早日享受那层光釉下的纹理观感吧。

 

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