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发表日期:2017-11-07

你了解么?碳纤维的世界竟是如此神奇!

一、复杂的工艺流程

碳纤维也可以被称为“复合材料”,是指两种或两种以上的物质以一种特殊的方式结合起来的材料。它常常综合了组成材料的优良性质。在通用电气研究中心时,我们在复合材料制备实验室中呆了很长的时间,见识了里面数不清的复合材料,从玻璃到金属,应有尽有。不过,接下来我将主要介绍碳纤维。
 
碳纤维是一种非常精巧的材料,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。

碳纤维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,碳纤维是由处理过的碳素长丝制成的,碳丝的厚度比人的头发还要细。制备时添加的环氧树脂能够让各种材料充分混合,并“硬化”。碳纤维的制备方法大同小异,都需要经过上述的“原丝制备和上浆”过程。
 
通常,在制备碳纤维时,你需要用到一个模具,用来放置碳纤维。在慕尼黑,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。
下图1为通用研究中心的马赛厄斯·梅斯默(右)站在碳纤维自动放置机器人前。


图1

没有添加树脂的原丝还称不上是碳纤维。我们在慕尼黑的实验室看到,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”了,呈黑色,看起来就像一块布,不过它非常的坚硬。
以下为用碳纤维材料制成的涡轮组件,后面是未上浆的碳纤维线。如图2所示。


图2

二、为什么是“碳”纤维

复合材料常常是能用一系列不同的材料合成的,在慕尼黑实验室中也能见到不少,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。
石墨中两个相邻的面,表明石墨的晶胞属于六方晶系,如图3所示。


图3

碳纤维材料极大地利用了碳原子的成键特性。碳纤维的原丝制备使用的原材料中,最常用的是聚丙烯氰纤维,即“PAN”,由C、H、N三种元素组成。得到的原丝非常的细,一般不到10微米厚。原料中的碳原子结构类似石墨分子,并会在处理过程中变为牢固的六方结构。
 
成千上万的碳纤维“线”缠绕在一起就变成了碳纤维“绳”,看起来就跟布纺织中用的线一样。将碳纤维线卷绕在一个绕线轮上,接下来将其浸泡在环氧树脂中或用固化剂处理,根据需求调整所用的方式。


三、织布机上开出的“碳纤维之花”

碳纤维的布状纹理和结构决定了它无法轻易成型,而成型是制备过程中必须经过的一步。通常情况下,碳纤维是被织布机“纺织”成型的。也就是说,碳纤维的成型过程就跟棉线纺织成布是一样的。
 
不过除了这种纺织成型的方式外,还有一种利用模具成型的方式。不像我们在通用研究中心的所看到的,这种方法并不需要用自动化传感机器人来抹浆成型,它是先准备一个模具,并在其中放入大量的碳纤维,压制成型的。对于这两种方法,理论上都是可行的,实际操作中选用哪种要对材料的要求,毕竟,使用不同方法成型得到的碳纤维材料的物性是有区别的。
 
碳纤维“布”通常都会有特殊的纹理和图案,这些导致了布本身的性质有差异。对某种特定的布,它可能在水平和竖直方向上的抗拉强度都不错,但在对角线放上却很容易发生形变。不同的碳纤维布会在不同的轴方向上体现出抗拉性,但总有一个方向的抗拉强度并不高。
不同的碳纤维布样品,中间部分就是碳纤维。可以看出它们的纹理各有不同。如图4所示。


图4

当然,完全成型的碳纤维在任何方向上的抗拉强度都是很大的。通常,会将不同纹理的碳纤维布叠在一起成型,这样一来,得到的产物就在各个方向上都能达到预期的抗压强度,让整个碳纤维都显得很坚硬。
 
正如我们先前提到的,抹浆成型过程所使用的方法有很多。你可以选择用“织布机”将碳纤维线织成各种形状,或是用自动化机械内置的红外灯加热碳纤维线成型,甚至可以用手糊成型,人工地将环氧树脂和其他高分子与碳纤维混合起来。理论上,这些方法得到的产品应该具有一样的性质,固化后,你都将得到刚度比同体积的刚和铝更高的轻质复合材料。

碳纤维材料也有一个缺点,那就是它的脆性可能很大。尽管碳纤维的强度很高,但是它的晶格结构比刚和铝更容易破碎。


四、为什么不用碳纤维制造所有东西呢?

这是一个很有意思的问题,既然碳纤维的性能这么优异,那为什么不将碳纤维应用在方方面面呢?比如,制造碳纤维椅子,或者碳纤维机箱,甚至说百分百碳纤维的汽车或是房子什么的,那么为什么不能这么做呢?
 
问题的答案非常明显,跟成本有关。碳纤维的制备工艺决定它并不能像其他化工产品一样大量生产,它的工艺流程非常的复杂(包括原丝制备,上浆,固化)。除此之外,碳纤维制备使用的原料也并不便宜。
 
所以,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。
 
实际上,碳纤维是一种非常流行的组件材料,尤其是在自动化领域。挂件,把手,甚至是冲嵌设备,都是可以用碳纤维来制造。碳纤维的纹理看起来就跟布一样,但摸起来又觉得它非常的坚硬(尽管在很多场合,它都是用透明塑料包裹起来了的)。
 
在高科技领域—特别是航天领域—碳纤维的性价比是非常高的。最新的空客和波音飞机(波音787和空客A350)在生产时都将使用大量的碳纤维材料,在慕尼黑通用研究中心中,我们就看到了用碳纤维材料制造的扇涡轮片,它可用于飞机的引擎当中。碳纤维卓越的性能,轻质、强度高,完全抵消了制造成本高的瑕疵。波音公司在787的生产过程中发现,通常碳纤维材料并不像金属材料一样会出现焊接纹或裂纹,而在42架等待交付的飞机的翼板上却发现碳纤维材料出现了应力破裂,因而不得不返工,原因显示在缝隙间没有填充垫片,导致应力过大。看来新材料的应用也是一项很有挑战性的工作。
碳纤维装配架是冷冻贮存着浸泡过环氧树脂的碳纤维,将在另一个房间的机器人手中固化成型。如图5所示。


图5

五、碳纤维的应用场景 
复杂的工艺流程和高昂的成本其实也算不上大问题,技术不断向前发展,碳纤维材料也将在更多的领域找到自己的用武之地,事实上,这也是通用研究中心的科学家们正在进行的工作—简化制备工艺,设计自动化生产线,为碳纤维找到更多的应用场合。


(文章内容来源于:材料科学与工程)
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