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重量是车辆最大的敌人。它减缓了快速汽车的速度,并使任何车辆的燃油效率降低。为了减少额外的松弛,汽车制造商尽可能使用轻质材料。其中最着名的是碳纤维。它广泛用于赛车和超级跑车,它开始渗入更主流的消费者车辆 - 包括GMC的全新2019 Sierra,用于卡车床,以及BMW的电动i3,车身由它制成。但它在汽车世界中仍然相对罕见。那是因为它很昂贵,仅仅是因为制作它所涉及的内容。
尽管如此,对于某些应用来说,它还是值得的。最强的碳纤维可以比钢强10倍,比铝强8倍,但重量却相当轻。与金属不同,当用合适的树脂制成时,碳纤维不会腐蚀。
碳纤维实际上源于托马斯·爱迪生(Thomas Edison),后者加热纤维素线直到他们为灯泡碳化成细丝。科学家在第二次世界大战期间试验了碳化纤维,并在20世纪50年代,Union Carbide的一位研究人员提出了高强度纤维。
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1981年,迈凯轮生产了MP4 / 1,这是第一款采用碳纤维制造的F1赛车。这是有争议的,直到那一年发生了两件事。这辆轻量级轿车赢得了英国大奖赛,然后在蒙扎大奖赛上高速坠毁。这可能是一辆铝制车的灾难,但由于碳纤维材料更坚固,驾驶员毫发无伤地走开了。
汽车制造商不是唯一的客户。碳纤维也广泛用于航空航天工业;几乎一半的波音787梦想飞机都是由复合材料制成,包括碳纤维。这对汽车行业来说是一个福音,因为它扩大了开发成本:兰博基尼和波音共享碳纤维研究设施。
每个碳纤维制造商使用略有不同的专有方法,但总体而言,这些过程是相似的。它起始于纤维束。大多数是由称为聚丙烯腈或PAN的热塑性材料制成,其也用于制造用于衣服或室内装潢的羊毛状丙烯酸纤维。也可以使用人造丝,石油馏分或其他化合物。
在没有氧气和非常高的温度下加热股线。由于缺氧,它们不会燃烧,而是碳化成互锁碳原子链。然后用液体或气体氧化纤维,使树脂粘在它们上面,并涂上保护材料,如环氧树脂或聚酯。然后将纤维纺在一起,就像纱线一样。
他们离开那里取决于他们将如何使用。它们可以编织成织物片,这使得成品部件成为熟悉的交叉影线图案,大多数都与碳纤维相关联。但其他可能性包括旋入管或胶带,或切成碎片。但是,它只有一半。股线必须与树脂混合,两者结合形成碳纤维增强塑料(CFRP)复合材料,比单独的任何一种材料都强。
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当使用碳纤维板时,为该部件制造模具。织物片用环氧树脂浸渍并压入模具中。将模具放入袋中,将所有空气抽真空,然后在烤箱中烘烤数小时。这是一个非常耗时的过程,需要熟练的工人或昂贵的机器人机器将织物层叠在模具中。
可以将短切碳纤维和树脂的组合压入模具中以制造过于复杂的部件。根据使用的树脂,它仍然可以进入烤箱几个小时来固化。它不像编织垫那么强,但它更便宜,与金属相比,它坚固而轻盈。
切碎的碳纤维和树脂也可以喷涂到背衬上,例如泡沫,玻璃纤维或胶合板,以产生由所得复合夹层制成的部件。为了制造比汽车更常用于航空航天的管子,树脂浸渍纱线缠绕在心轴周围的重叠层中。一些公司也在使用CFRP来构建零件的3D打印机。这可以用于创建更复杂的设计,例如蜂窝,当由传统塑料或树脂制成时,蜂窝本身增加了强度并减轻了重量。
除了价格,碳纤维确实有一些缺点。它可以修复,但它需要特殊的技术,并且不能在未上漆的部件上进行修复,因为修复是可见的。用编织碳纤维板切割零件形状会产生昂贵的浪费。
成品碳纤维部件也难以回收。纤维是有价值的部分,树脂必须在它们周围溶解或烧掉。目前的方法还导致再生纤维不如新纤维强。 碳纤维可以牢固地建立为汽车材料,特别是在规模的较高端,但它仍然在不断地进行研究和改进。
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