碳纤维材质在汽车制造中的应用和制作工艺解析

如今的汽车市场，不同车型的属性差异越来越明显，并且在选材用料上也更加倾向于高性能材料。碳纤维材料目前广泛应用于性能车或注重性能的运动车型，有的是用于内饰装饰，有的是用于车辆覆盖件。然而，许多人对碳纤维的认识仅限于其高级别的形象，实际上，根据制作技术和编织工艺的不同，碳纤维的强度和用途也有所不同。

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。它由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆积而成，经过碳化和石墨化处理后形成微晶石墨材料。与金属铝相比，碳纤维质量更轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀和高模量特性。因此，它被广泛应用于汽车的内饰和外覆件制造中。事实上，碳纤维是一个广义的概念，衍生出了许多复合材料。

碳纤维最早在1880年由爱迪生发明，在实验灯丝的过程中被发现。然而直到1963年，范堡罗皇家航空研究院的研究员们才开发出具有商业价值的碳纤维，这使得该材料的应用成为可能。

曾在F1方程式中任职的雷诺和威廉姆斯前技术总监Pat Symonds认为，人类最早在1968年的勒芒耐力赛上将碳纤维制品应用于赛车上。这款名为福特GT40的赛车在车身内外都使用了碳纤维，以提高车身强度。现在，在F1赛车和MOTO GP比赛中，碳纤维材料被广泛应用于车辆制造中。

碳纤维的制造过程包括纤维纺丝、热稳定（预氧化）、碳化和石墨化。这些过程伴随着化学变化，包括脱氢、环化、预氧化、氧化和脱氧。

纺丝是碳纤维生产过程中的第一步，主要是将原材料分离成纤维。这是一个物理变化的过程，纺丝液细流与凝固液之间进行传质和传热，最后得到PAN纤维的凝胶结构。

牵伸是碳纤维制造中的关键步骤，要求温度在100到300度之间。通过结合定向纤维的拉伸效应进行操作，这是实现PAN纤维高模量、高强度、致密化和细化的关键步骤。

稳定是通过加热（400度）氧化的方法，将热塑性PAN线形大分子链转化为非塑性耐热的梯形结构。这样可以使其在高温下不融化或燃烧，保持纤维的形态，处于热力学稳定状态。

石墨化需要在1千到2千度的温度下进行，通过将PAN中的非碳元素驱除，最终生成含碳量90%以上的乱层石墨结构的碳纤维。

然而，F1赛车使用的碳纤维材料与民用车辆不同，因为赛车在激烈驾驶时受力点与普通道路上的车辆有很大差异，所以在编织方法和制备方法上存在很大区别。因此，工艺和编织方法也成为一个关键问题。首先，让我们谈谈工艺。目前我们常见的车用碳纤维制品分为干式碳纤维和湿式碳纤维。干式碳纤维的制作工艺和流程与赛车有很大关系，因此制作出来的产品多用于车架、座椅、机舱盖、传动轴等部件。

干式碳纤维的制作方法与湿式碳纤维相同，都使用纤维布作为原材料。不同之处在于干式碳纤维使用的是预浸布，即布上涂有环氧树脂。通过将预浸布放入钢制模具中，然后整体放入热压罐进行成型。

对于一些对精度要求更高的零件，例如发动机舱盖，技术人员会在油泥模型或钢制模型上先铺上预浸布，然后通过激光和丝距进行定位，手工完成基础整形后再覆盖阳模，最后送入热压罐。

之所以需要送入热压罐，是因为干式碳纤维件必须在特定温度和压力下进行固化成型，因此需要使用热压罐。

与湿式碳纤维相比，干式碳纤维的优势在于强度更高、成型效果更好、溢胶现象较少，而且重量更轻。许多超级跑车的车身结构和覆盖件都采用了碳纤维材料。例如，阿尔法罗密欧的Giulia采用了干式碳纤维制作的传动轴。

湿式碳纤维制作相对于干式碳纤维要容易得多，成本也差异很大。湿式碳纤维的主要制作方法基本可以分为两种，一种是手工涂布法，即将未浸泡环氧树脂的碳纤维布裁剪成所需形状，然后在模具上刷上脱模剂，每铺一层碳纤维布就刷一层环氧树脂作为粘合剂，直到完成。

手工涂布法制作的湿式碳纤维零件的优点在于不受场地和条件的限制，只要有较强的动手能力，就可以自行制作。而且对设备的要求较低，可以在常温下进行成型，无需加热塑形。但缺点也很明显，即溢胶现象严重，大多需要成型后进行二次打磨。

湿式碳纤维的另一种制作方法是真空吸附法。制作方法与手工涂布法没有太大差异，但不需要一层层涂抹大量的环氧树脂。在制作过程中，首先铺设导管和导流网，导管的作用是充分引入树脂，导流网则是对树脂进行导流，使树脂更均匀地分布在碳纤维布上。在抽真空后，多余的树脂将被吸走，避免了溢胶问题。

在我国的大学生方程式比赛中，各个高校都广泛使用抽真空法制作碳纤维零件。我曾在北京航空航天大学采访时，了解到他们使用了溢胶较少、重量更轻的抽真空法制作碳纤维零件。

通过之前的介绍，相信大家对碳纤维已经有了一个基本的了解，但是我们日常生活中最常见的碳纤维制品可能是车内的那些装饰件。那么，我们如何区分它们呢？

除了刚才提到的不同制作方法，不同的碳纤维编织纹理也会对整个产品的强度和性能产生不同的影响。从纹理样式上大致可以分为平纹编织、斜纹编织和缎纹编织。在解释之前，需要明确一个概念，就是编织碳纤维丝不是单根编织，而是以1000根为一束进行编织。常见的类型有1k、3k、6k、8k、12k几种。

平纹编织的图案非常容易辨认，类似于棋盘，具有很强的对称性。在编织过程中，每行的丝束以不同的走向进行编织。相邻丝束之间的间距很小，使得平纹编织具有很高的稳定性。

斜纹编织从外观上就能看出来，采用的是交叉斜线的方式。2×2和4×4如何理解呢？其实很简单，每个丝束经过两个丝束下去，然后经过两个丝束上来。同样，4x4斜纹布每个丝束经过四个丝束下去，然后经过四个丝束上来。

缎纹编织来源于早期制造丝绸织物的编织技术，它看起来非常光滑和无缝，但实际上强度不高。因此，像碳纤维座椅这样的产品仍然需要使用2×2斜纹编织法来制造。

通过这篇文章的介绍，相信大家对碳纤维有了更全面的了解。然而，我们在购买碳纤维制品时，也要注意区分不同制作方法和编织纹理对产品强度和性能的影响，以便做出更明智的选择。