摘要：碳纖維是一種輕質(zhì)高強(qiáng)度的材料，在汽車和飛機(jī)上就有很多碳纖維材料組件。它可以被用來(lái)制造幾乎任何東西，自行車、高爾夫球桿甚至錢包，都可以用碳纖維制造。不過(guò)由于其制備工藝的復(fù)雜性和原料的高成本，目前碳纖維應(yīng)用還不廣泛。本文將介紹作者(Lee Hutchinson)在慕尼黑通用研究中心所見(jiàn)到的跟碳纖維材料有關(guān)的有趣知識(shí)。

01

復(fù)雜的工藝流程

       碳纖維復(fù)材也可以被稱為“復(fù)合材料”，復(fù)合材料是指兩種或兩種以上的物質(zhì)以一種特殊的方式結(jié)合起來(lái)的材料，它常常綜合了組成材料的優(yōu)良性質(zhì)。在通用電氣研究中心時(shí)，我們?cè)趶?fù)合材料制備實(shí)驗(yàn)室中待了很長(zhǎng)的時(shí)間，見(jiàn)識(shí)了里面數(shù)不清的復(fù)合材料，從玻璃到金屬，應(yīng)有盡有。不過(guò)，接下來(lái)我將主要介紹碳纖維。

慕尼黑通用全球研究中心，圖中的自動(dòng)化機(jī)械化正在將碳纖維放置在模具上。

       碳纖維是一種非常精巧的材料，它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(qiáng)，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(dāng)中的原因。硬度這個(gè)性質(zhì)其實(shí)包括了很多衡量指標(biāo)。具體來(lái)說(shuō)，碳纖維的抗張強(qiáng)度（即對(duì)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(qiáng)度很大，但是它的質(zhì)量卻并不重，相反地，碳纖維的質(zhì)量只有同體積鋼的三分之一。

       碳纖維的優(yōu)異性能得益于它的組成物和制備時(shí)添加的膠或環(huán)氧樹(shù)脂，碳纖維是由處理過(guò)的碳素長(zhǎng)絲制成的，碳絲的厚度比人的頭發(fā)還要細(xì)。制備時(shí)添加的環(huán)氧樹(shù)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(jīng)過(guò)上述的“原絲制備和上漿”過(guò)程。

       通常，在制備碳纖維時(shí)，你需要用到一個(gè)模具，用來(lái)放置碳纖維。在莫尼黑，我們見(jiàn)到的是機(jī)器人將碳纖維沿著一塊大塑料

                                                   圖為通用研究中心的馬賽厄斯·梅斯默（右）站在碳纖維自動(dòng)放置機(jī)器人前。

       沒(méi)有添加樹(shù)脂的原絲還稱不上是碳纖維。我們?cè)谀侥岷诘膶?shí)驗(yàn)室看到，碳纖維自動(dòng)放置機(jī)械會(huì)將碳纖維浸泡在環(huán)氧樹(shù)脂中，并用使之成型。長(zhǎng)線軸中的原絲是被冷處理過(guò)的，為了防止樹(shù)脂固化，而當(dāng)這些原絲被放置在模具表面上時(shí)，機(jī)械會(huì)瞬間加熱它，讓它馬上固化。

        添加樹(shù)脂的方式是多種多樣的。賽車和碳布片材中的高強(qiáng)度碳纖維就是用注射的方法來(lái)加入樹(shù)脂的。有的時(shí)候，會(huì)用刷子給碳纖維涂上一層樹(shù)脂，然后再放入模具。

        在經(jīng)過(guò)原絲制備、上漿處理后，等到碳纖維固化了，產(chǎn)品就真正做好了。固化過(guò)程常常用到的方法是加熱，不過(guò)有的環(huán)氧樹(shù)脂在室溫下的固化效果更好，或者將環(huán)氧樹(shù)脂放在真空中加壓。固化現(xiàn)象跟一般的固化過(guò)程類似，只不過(guò)這里的樹(shù)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(guò)程中可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成原絲材料中不含碳的物質(zhì)，導(dǎo)致纖維顆粒之間的團(tuán)聚作用力更加強(qiáng)。這樣，最后得到的就是我們所說(shuō)的“碳纖維”了，呈黑色，看起來(lái)就像一塊布，不過(guò)它非常的堅(jiān)硬。

                                                              用碳纖維材料制成的渦輪組件，后面是未上漿的碳纖維線。

02

為什么是“碳”纖維?

       復(fù)合材料常常是能用一系列不同的材料合成的，在莫尼黑實(shí)驗(yàn)室中也能見(jiàn)到不少，但碳纖維往往在需要?jiǎng)偠群洼p質(zhì)的地方卻是無(wú)可替代的。這可能是因?yàn)樘荚拥奶匦?，科學(xué)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(jiān)硬的東西（金剛石）是碳單質(zhì)，硬度最低的物質(zhì)之一（石墨）也是碳單質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，用碳制備的材料和用其他單質(zhì)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(tuán)聚的方式有關(guān)。在這里，我們不談太高深的化學(xué)知識(shí)，僅做簡(jiǎn)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?shù)臉?lè)高積木一樣，成鍵選擇非常的多。

       碳原子間的成鍵方式?jīng)Q定了材料的性質(zhì)。對(duì)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(qiáng)，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(dǎo)電性能非常好）。而對(duì)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(gè)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(jiān)硬得多。

                                                                            石墨中兩個(gè)相鄰的面，表明石墨的晶胞屬于六方晶系

        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(xì)，一般不到10微米厚。原料中的碳原子結(jié)構(gòu)類似石墨分子，并會(huì)在處理過(guò)程中變?yōu)槔喂痰牧浇Y(jié)構(gòu)。

        成千上萬(wàn)的碳纖維”線”纏繞在一起就變成了碳纖維”繩”，看起來(lái)就跟布紡織中用的線一樣。將碳纖維線卷繞在一個(gè)繞線輪上，接下來(lái)將其浸泡在環(huán)氧樹(shù)脂中或用固化劑處理，根據(jù)需求調(diào)整所用的方式。

03

織布機(jī)上開(kāi)出的“碳纖維之花”

       碳纖維的布狀紋理和結(jié)構(gòu)決定了它無(wú)法輕易成型，而成型是制備過(guò)程中必須經(jīng)過(guò)的一步。通常情況下，碳纖維是被織布機(jī)“紡織”成型的。也就是說(shuō)，碳纖維的成型過(guò)程就跟棉線紡織成布是一樣的。

       不過(guò)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?cè)谕ㄓ醚芯恐行牡乃吹降?，這種方法并不需要用自動(dòng)化傳感機(jī)器人來(lái)抹漿成型，它是先準(zhǔn)備一個(gè)模具，并在其中放入大量的碳纖維，壓制成型的。對(duì)于這兩種方法，理論上都是可行的，實(shí)際操作中選用哪種要對(duì)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(qū)別的。

        碳纖維“布”通常都會(huì)有特殊的紋理和圖案，這些導(dǎo)致了布本身的性質(zhì)有差異。對(duì)某種特定的布，它可能在水平和豎直方向上的抗拉強(qiáng)度都不錯(cuò)，但在對(duì)角線放上卻很容易發(fā)生形變。不同的碳纖維布會(huì)在不同的軸方向上體現(xiàn)出抗拉性，但總有一個(gè)方向的抗拉強(qiáng)度并不高。

                                                    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。

       當(dāng)然，完全成型的碳纖維在任何方向上的抗拉強(qiáng)度都是很大的。通常，會(huì)將不同紋理的碳纖維布疊在一起成型，這樣一來(lái)，得到的產(chǎn)物就在各個(gè)方向上都能達(dá)到預(yù)期的抗壓強(qiáng)度，讓整個(gè)碳纖維都顯得很堅(jiān)硬。

       正如我們先前提到的，抹漿成型過(guò)程所使用的方法有很多。你可以選擇用“織布機(jī)”將碳纖維線織成各種形狀，或是用自動(dòng)化機(jī)械內(nèi)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(huán)氧樹(shù)脂和其他高分子與碳纖維混合起來(lái)。理論上，這些方法得到的產(chǎn)品應(yīng)該具有一樣的性質(zhì)，固化后，你都將得到鋼度比同體積的鋼和鋁更高的輕質(zhì)復(fù)合材料。

       碳纖維材料也有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是它的脆性可能很大。盡管碳纖維的強(qiáng)度很高，但是它的晶格結(jié)構(gòu)比鋼和鋁更容易破碎。

04

為什么不用碳纖維來(lái)制備所有的東西呢？

       這是一個(gè)很有意思的問(wèn)題，既然碳纖維的性能這么優(yōu)異，那為什么不將碳纖維應(yīng)用在方方面面呢？比如，制造碳纖維椅子，或者碳纖維機(jī)箱，甚至說(shuō)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(wèn)題的答案非常明顯，跟成本有關(guān)。碳纖維的制備工藝決定它并不能像其他化工產(chǎn)品一樣大量生產(chǎn)，它的工藝流程非常的復(fù)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(wèn)題，只要負(fù)擔(dān)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(jià)錢，那么你當(dāng)然可以擁有一輛碳纖維自行車。在進(jìn)口車輛中，碳纖維材料非常的常見(jiàn)，甚至一些非常平價(jià)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(jià)錢，你能為你的愛(ài)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?；蛟S你會(huì)問(wèn)，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(yè)球員是舍得花這份錢的。

       實(shí)際上，碳纖維是一種非常流行的組件材料，尤其是在自動(dòng)化領(lǐng)域。掛件，把手，甚至是沖嵌設(shè)備，都是可以用碳纖維來(lái)制造。碳纖維的紋理看起來(lái)就跟布一樣，但摸起來(lái)又覺(jué)得它非常的堅(jiān)硬(盡管在很多場(chǎng)合，它都是用透明塑料包裹起來(lái)了的)。

       在高科技領(lǐng)域—特別是航天領(lǐng)域—碳纖維的性價(jià)比是非常高的。最新的空客和波音飛機(jī)（波音787和空客A350）在生產(chǎn)時(shí)都將使用大量的碳纖維材料，在莫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(jī)的引擎當(dāng)中。碳纖維卓越的性能，輕質(zhì)、強(qiáng)度高，完全抵消了制造成本高的瑕疵。波音公司在787的生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，通常碳纖維材料并不像金屬材料一樣會(huì)出現(xiàn)焊接紋或裂紋，而在42架等待交付的飛機(jī)的翼板上卻發(fā)現(xiàn)碳纖維材料出現(xiàn)了應(yīng)力破裂，因而不得不返工，原因顯示在縫隙間沒(méi)有填充墊片，導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)大?？磥?lái)新材料的應(yīng)用也是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的工作。

                                     碳纖維裝配架，冷凍貯存著浸泡過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂的碳纖維，將在另一個(gè)房間的機(jī)器人手中固化成型。

       復(fù)雜的工藝流程和高昂的成本其實(shí)也算不上大問(wèn)題，技術(shù)不斷向前發(fā)展，碳纖維材料也將在更多的領(lǐng)域找到自己的用武之地，事實(shí)上，這也是通用研究中心的科學(xué)家們正在進(jìn)行的工作—簡(jiǎn)化制備工藝，設(shè)計(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)線，為碳纖維找到更多的應(yīng)用場(chǎng)合。（圖文來(lái)源：今日頭條）

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