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發表日期:2017-11-07

你了解么?碳纖維的世界竟是如此神奇!

一、復雜的工藝流程

碳纖維也可以被稱為“復合材料”,是指兩種或兩種以上的物質以一種特殊的方式結合起來的材料。它常常綜合了組成材料的優良性質。在通用電氣研究中心時,我們在復合材料制備實驗室中呆了很長的時間,見識了里面數不清的復合材料,從玻璃到金屬,應有盡有。不過,接下來我將主要介紹碳纖維。
 
碳纖維是一種非常精巧的材料,具有非常卓越的性能。在同等尺寸大小下,碳纖維往往比金屬的硬度更強,密度更小,這就是為什么碳纖維常常被用于車體外板和噴射式渦輪當中的原因。硬度這個性質其實包括了很多衡量指標。具體來說,碳纖維的抗張強度(即對抗拉伸的能力)是鋼的4倍,鋁的8倍。而它抗彎曲的能力也比鋼材和鋁材大得多。并且,盡管碳纖維強度很大,但是它的質量卻并不重,相反地,碳纖維的質量只有同體積鋼的三分之一。

碳纖維的優異性能得益于它的組成物和制備時添加的膠或環氧樹脂,碳纖維是由處理過的碳素長絲制成的,碳絲的厚度比人的頭發還要細。制備時添加的環氧樹脂能夠讓各種材料充分混合,并“硬化”。碳纖維的制備方法大同小異,都需要經過上述的“原絲制備和上漿”過程。
 
通常,在制備碳纖維時,你需要用到一個模具,用來放置碳纖維。在慕尼黑,我們見到的是機器人將碳纖維沿著一塊大塑料板放置。但同樣也存在非機械的人工放置碳纖維的處理方法。
下圖1為通用研究中心的馬賽厄斯·梅斯默(右)站在碳纖維自動放置機器人前。


圖1

沒有添加樹脂的原絲還稱不上是碳纖維。我們在慕尼黑的實驗室看到,碳纖維自動放置機械會將碳纖維浸泡在環氧樹脂中,并用使之成型。長線軸中的原絲是被冷處理過的,為了防止樹脂固化,而當這些原絲被放置在模具表面上時,機械會瞬間加熱它,讓它馬上固化。
 
添加樹脂的方式是多種多樣的。賽車和碳布片材中的高強度碳纖維就是用注射的方法來加入樹脂的。有的時候,會用刷子給碳纖維涂上一層樹脂,然后再放入模具。
 
在經過原絲制備、上漿處理后,等到碳纖維固化了,產品就真正做好了。固化過程常常用到的方法是加熱,不過有的環氧樹脂在室溫下的固化效果更好,或者將環氧樹脂放在真空中加壓。固化現象跟一般的固化過程類似,只不過這里的樹脂起到的作用是讓碳纖維更好的硬化。此外,碳纖維在固化過程中可能會發生化學反應,生成原絲材料中不含碳的物質,導致纖維顆粒之間的團聚作用力更加強。這樣,最后得到的就是我們所說的“碳纖維”了,呈黑色,看起來就像一塊布,不過它非常的堅硬。
以下為用碳纖維材料制成的渦輪組件,后面是未上漿的碳纖維線。如圖2所示。


圖2

二、為什么是“碳”纖維

復合材料常常是能用一系列不同的材料合成的,在慕尼黑實驗室中也能見到不少,但碳纖維往往在需要剛度和輕質的地方卻是無可替代的。這可能是因為碳原子的特性,科學研究表明碳原子非常容易和其他原子成鍵。

碳元素是一種非常有意思的元素,自然界中最堅硬的東西(金剛石)是碳單質,硬度最低的物質之一(石墨)也是碳單質。一般來說,用碳制備的材料和用其他單質制得的材料物性一樣,都跟原子/分子成鍵的方式以及原子/分子團聚的方式有關。在這里,我們不談太高深的化學知識,僅做簡單類比:碳原子的成鍵方式是多種多樣的,就像六面都有雙頭螺釘的樂高積木一樣,成鍵選擇非常的多。

碳原子間的成鍵方式決定了材料的性質。對石墨材料,碳原子是一層層堆積的,同一平面上的碳原子間所成的鍵非常強,但平面間的碳原子所成的鍵比較弱,這使得石墨材料非常容易分離(也使得石墨導電性能非常好)。而對于金剛石,碳原子成的鍵是三維的,晶胞屬于四方晶格,盡管單個鍵的鍵能比石墨的鍵能要低,但是它所有方向的鍵能都是相同的(表面原子除外),因此材料整體顯得堅硬得多。
找色情石墨中兩個相鄰的面,表明石墨的晶胞屬于六方晶系,如圖3所示。


圖3

碳纖維材料極大地利用了碳原子的成鍵特性。碳纖維的原絲制備使用的原材料中,最常用的是聚丙烯氰纖維,即“PAN”,由C、H、N三種元素組成。得到的原絲非常的細,一般不到10微米厚。原料中的碳原子結構類似石墨分子,并會在處理過程中變為牢固的六方結構。
 
找色情成千上萬的碳纖維“線”纏繞在一起就變成了碳纖維“繩”,看起來就跟布紡織中用的線一樣。將碳纖維線卷繞在一個繞線輪上,接下來將其浸泡在環氧樹脂中或用固化劑處理,根據需求調整所用的方式。


三、織布機上開出的“碳纖維之花”

碳纖維的布狀紋理和結構決定了它無法輕易成型,而成型是制備過程中必須經過的一步。通常情況下,碳纖維是被織布機“紡織”成型的。也就是說,碳纖維的成型過程就跟棉線紡織成布是一樣的。
 
不過除了這種紡織成型的方式外,還有一種利用模具成型的方式。不像我們在通用研究中心的所看到的,這種方法并不需要用自動化傳感機器人來抹漿成型,它是先準備一個模具,并在其中放入大量的碳纖維,壓制成型的。對于這兩種方法,理論上都是可行的,實際操作中選用哪種要對材料的要求,畢竟,使用不同方法成型得到的碳纖維材料的物性是有區別的。
 
碳纖維“布”通常都會有特殊的紋理和圖案,這些導致了布本身的性質有差異。對某種特定的布,它可能在水平和豎直方向上的抗拉強度都不錯,但在對角線放上卻很容易發生形變。不同的碳纖維布會在不同的軸方向上體現出抗拉性,但總有一個方向的抗拉強度并不高。
找色情不同的碳纖維布樣品,中間部分就是碳纖維。可以看出它們的紋理各有不同。如圖4所示。


圖4

當然,完全成型的碳纖維在任何方向上的抗拉強度都是很大的。通常,會將不同紋理的碳纖維布疊在一起成型,這樣一來,得到的產物就在各個方向上都能達到預期的抗壓強度,讓整個碳纖維都顯得很堅硬。
 
正如我們先前提到的,抹漿成型過程所使用的方法有很多。你可以選擇用“織布機”將碳纖維線織成各種形狀,或是用自動化機械內置的紅外燈加熱碳纖維線成型,甚至可以用手糊成型,人工地將環氧樹脂和其他高分子與碳纖維混合起來。理論上,這些方法得到的產品應該具有一樣的性質,固化后,你都將得到剛度比同體積的剛和鋁更高的輕質復合材料。

碳纖維材料也有一個缺點,那就是它的脆性可能很大。盡管碳纖維的強度很高,但是它的晶格結構比剛和鋁更容易破碎。


四、為什么不用碳纖維制造所有東西呢?

這是一個很有意思的問題,既然碳纖維的性能這么優異,那為什么不將碳纖維應用在方方面面呢?比如,制造碳纖維椅子,或者碳纖維機箱,甚至說百分百碳纖維的汽車或是房子什么的,那么為什么不能這么做呢?
 
問題的答案非常明顯,跟成本有關。碳纖維的制備工藝決定它并不能像其他化工產品一樣大量生產,它的工藝流程非常的復雜(包括原絲制備,上漿,固化)。除此之外,碳纖維制備使用的原料也并不便宜。
 
所以,這并不是碳纖維材料的問題,只要負擔得起高昂的成本,你可以用碳纖維制造任何你想要的物品。比如買自行車,只要你愿意付比鋁材自行車多3到10倍的價錢,那么你當然可以擁有一輛碳纖維自行車。在進口車輛中,碳纖維材料非常的常見,甚至一些非常平價的車,比如雪佛蘭科爾維特,也使用了碳纖維材料,只要不在意價錢,你能為你的愛車買到各種碳纖維組件,也能為你自己買到各種碳纖維生活用品。或許你會問,有使用碳纖維材料的高爾夫球桿嗎?答案是肯定的,甚至大部分高爾夫球員所使用的球桿都是碳纖維的,畢竟職業球員是舍得花這份錢的。
 
實際上,碳纖維是一種非常流行的組件材料,尤其是在自動化領域。掛件,把手,甚至是沖嵌設備,都是可以用碳纖維來制造。碳纖維的紋理看起來就跟布一樣,但摸起來又覺得它非常的堅硬(盡管在很多場合,它都是用透明塑料包裹起來了的)。
 
在高科技領域—特別是航天領域—碳纖維的性價比是非常高的。最新的空客和波音飛機(波音787和空客A350)在生產時都將使用大量的碳纖維材料,在慕尼黑通用研究中心中,我們就看到了用碳纖維材料制造的扇渦輪片,它可用于飛機的引擎當中。碳纖維卓越的性能,輕質、強度高,完全抵消了制造成本高的瑕疵。波音公司在787的生產過程中發現,通常碳纖維材料并不像金屬材料一樣會出現焊接紋或裂紋,而在42架等待交付的飛機的翼板上卻發現碳纖維材料出現了應力破裂,因而不得不返工,原因顯示在縫隙間沒有填充墊片,導致應力過大。看來新材料的應用也是一項很有挑戰性的工作。
碳纖維裝配架是冷凍貯存著浸泡過環氧樹脂的碳纖維,將在另一個房間的機器人手中固化成型。如圖5所示。


圖5

五、碳纖維的應用場景 
找色情復雜的工藝流程和高昂的成本其實也算不上大問題,技術不斷向前發展,碳纖維材料也將在更多的領域找到自己的用武之地,事實上,這也是通用研究中心的科學家們正在進行的工作—簡化制備工藝,設計自動化生產線,為碳纖維找到更多的應用場合。


(文章內容來源于:材料科學與工程)
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