以碳纤维谈材料发展与设计资料.docx

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以碳纤维谈材料发展与设计资料

以碳纤维谈材料发展与设计

摘要：

在现代的产品设计中，创新虽然是设计的重要砝码，但是材料的运用，又是另一种全新的视野，你可以忽视材料的效果，但是你不能不知道材料的功能，因为产品的创新是依附在实现功能的前提下。

而材料的不断发展，也为产品的创新增加了更多的可能性。

一．材料与设计

材料是设计的物质基础和载体。

是科学技术研究的重要方面，设计材料由比较单一的木材，陶瓷，玻璃，金属到越来越丰富的塑料、复合材料为产品设计展开了一个广阔的天地。

基本功能相同的产品，由于采用了不同的材料和加工工艺，就可以带来巨大的形态变化，随后带来的是使用变化和精神功能的变化。

例如电视机外壳，用木质层板来做，因为受到材料特性和加工工艺的制约，一般会做成方形。

如果后壳要做成弧度就有一定的难度。

但是如果用工程塑料来做电视机外壳的话，就很容易用压注成型的方法实现曲面的造型。

材料总是能够为设计师带来很多新的思路。

新材料对设计的影响不仅限于技术性应用的范畴，而是包含了整体质感。

一直对设计流行趋势所形成起着激发作用。

在材料日益丰富、材料技术不断发展的今天，“材料设计”成为了设计创新的重要手段。

设计师不必受到材料限制，或者被动的接收材料科学的研究成果。

而是积极的评价和探索各种材料在设计中的应用价值，发掘材料在设计造型中的潜力。

2．碳纤维

1.什么是碳纤维

碳纤维被誉为是当今世界上材料综合性能的顶峰，是21世纪的黑色革命，是适应宇航、航空、原子能等尖端工业发展的需要而研制开发的一种新材料。

碳纤维（carbonfiber），顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

与传统的玻璃纤维（GF）相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维（KF-49）相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。

有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。

因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/（g/cm3）以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/（g/cm3）左右，其比模量也比钢高。

材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。

2.碳纤维的历史发展

1897年爱迪生通过碳纤维的碳化，在不破坏纤维素结构的情况下，第一次制造出碳丝，并把其用作电灯泡的炽热灯丝。

由于碳纤维有一定得缺点，限于当时技术条件的限制，未能制造出体现碳纤维更多优良特性的产品，致使碳纤维冷落一时。

碳纤维的研制并实现工业化生产，始于20世纪50年代，1996年全世界碳纤维总产量达到1700t。

其中聚丙烯氰基纤维占85%，其余是沥青基纤维，由于聚丙烯氰基纤维作原料，其生产工艺比较简单，产品力学性能优良，因此得到了大力发展；沥青基纤维由于原料丰富，价格便宜，在民用工业方面获得很好的推广使用。

3．碳纤维在汽车上的应用

1.汽车车身、底盘

由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的最轻材料。

预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量４０％～６０％，相当于钢结构重量的１／３～１／６。

英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果表明碳纤维增强聚合物材料车身重量仅为１７２ｋｇ，而钢制车身重量为３６８ｋｇ，减重约５０％。

并且当生产量在２万辆以下时，采用ＲＴＭ工艺生产复合材料车身成本要低于钢制车身。

东丽确立了使用碳纤维强化塑料（ＣＦＲＰ）、在１０ｍｉｎ内成形汽车底盘（前地板）的技术。

但由于碳纤维成本过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限，仅在一些Ｆ１赛车、高级轿车、小批量车型上有所应用，如ＢＭＷ公司的Ｚ－９、Ｚ－２２的车身，Ｍ３系列车顶蓬和车身，ＧＭ公司的Ｕｌｔｒａｌｉｔｅ车身，福特公司的ＧＴ４０车身、保时捷９１１　ＧＴ３承载式车身等

2.刹车片

碳纤维还因为其环保、耐磨的特点而应用在刹车片上，但含有碳纤维复合材料的产品都格外贵，所以目前这种刹车片还主要应用在高档轿车上。

碳纤维制动盘被广泛用于竞赛用汽车上，例如Ｆ１赛车上。

它能够在５０ｍ的距离内将汽车的速度从３００ｋｍ／ｈ降低到５０ｋｍ／ｈ，此时制动盘的温度会升高到９００℃以上，制动盘会因为吸收大量的热能而变红。

碳纤维制动盘能够承受２５００　℃的高温，而且具有非常优秀的制动稳定性。

虽然碳纤维制动盘具有性能卓越的减速性能，但是目前在量产的汽车上使用碳纤维制动盘却并不实际，因为碳纤维制动盘的性能在温度达到８００℃以上时才能够达到最好。

也就是说，必须在行驶了数公里之后，汽车的制动装置才能进入最佳工作状态，这对于大多数只是短途行驶的车辆并不适用。

另外，碳纤维制动盘的磨损速度很快，制造成本也非常高。

3.　座椅加热垫

碳纤维汽车座椅加热垫是碳纤维加热应用于汽车工业的一个突破，碳纤维加热元技术在汽车配套市场变得越来越受欢迎，它将会完全替代传统的座椅加热系统。

目前几乎全球所有汽车制造厂商的高档、豪华轿车都配备了这种座椅加热装置，比如奔驰、宝马、奥迪、大众、本田、日产等等。

碳纤维热载荷碳纤维是一种比较高效能的导热材料，热效率高达９６％，并在加热垫中均匀密布，保证热量在座椅加热区域均匀释放，碳纤维线及温度分布均匀，又确保了加热垫长期　使用保持座椅表面皮革平整完好。

不产生纹路痕迹、不产生局部变色。

温度超出设定区间则自动断电，不能满足温度要求时自动通电调节温度。

碳纤维适宜人体吸收的红外线波长，具有促进健康的　保健作用，可以充分减少驾乘疲劳，增加舒适度。

4.轮毂

德国的知名轮毂制造专家ＷＨＥＥＬＳＡＮＤＭＯＲＥ推出的“Ｍｅｇａｌｉｇｈｔ－Ｆｏｒｇｅｄ－Ｓｅｒｉｅｓ”轮毂系列，采取两片式设计，外环为碳纤维材质打造，内毂为轻量化的合金，搭配不锈钢制的螺丝，较一般同尺码的轮毂可轻上４０成左右；以２０寸的轮毂为例，Ｍｅｇａｌｉｇｈｔ－Ｆｏｒｇｅｄ－Ｓｅｒｉｅｓ轮圈仅有６ｋｇ，较一般大约１８ｋｇ的重量相较，轻了一大截。

２０寸的Ｍｅｇａｌｉｇｈｔ－Ｆｏｒｇｅｄ－Ｓｅｒｉｅｓ一组轮毂要价２万欧元，约２１．８６万人民币；目前共有１８～２３寸尺码可供选择。

4．碳纤维成就超级跑车

半个世纪前，灿灿生辉的跑车将赛车的动力和光彩带到了公路上。

今天，跑车依然要做到这一点，但是能满足此要求的现代跑车很可能是用碳纤维制造的，而不是金属。

梅赛德斯-奔驰迈凯伦SLR（Mercedes-BenzSLRMcLaren）和保时捷卡拉雷GT（PorscheCarreraGT）就是两个很好的例子。

如果现代的梅赛德斯-奔驰迈凯伦SLR能够不负50年前其前辈——著名的奔驰300SL公路车的盛名，奔驰及其合作伙伴们会对他们在现代限量版GrandTurismo超级跑车上的冒险非常满意。

SLR沿袭了300SL的一些独特风格，并使用了公路赛车的制造技术。

SLR安装有一个460千瓦（626bph）的V8发动机，可以使其在3.8秒内从0加速到100千米/小时，然后达到最大速度334千米/小时。

SLR还包括一个互相匹配的变速器和悬架结构以及全复合材料的主体结构。

车身前半部分充分显示了其赛车血统，车身前端的中心很像F1银剑（SilverArrow）的鼻锥，这是其领先的合作伙伴迈凯伦（McLaren）成功设计出来的，而且整个底盘/车身采用碳纤维增强塑料（CFRP）制造。

CFRP具有轻质坚固的特点，使得公路汽车的性能优于多数其他材料制成的汽车。

同时，这种材料还具有一定程度的保护功能，可以保护司机免受高速碰撞造成的伤害。

与现代的一级方程式赛车一样，该车的主体组成部分是一个坚固的单壳式结构，所有元件直接装配在上面。

这些元件当然包括底盘元件、发动机支承、前端的防撞击结构和尾部结构。

该单壳式结构是一个安全的密闭结构，在交通事故中为乘客提供高度保护。

坚固的纵向CFRP元件组成的防撞击结构进一步提高了对头部撞击的保护性能，因为CFRP元件在吸收能量的同时是逐渐碎裂的。

据梅赛德斯-奔驰公司介绍，使用碳纤维可以制造出超轻的车身，而硬度和强度也更符合F1的要求。

CFRP元件具有与钢或合金元件相同的强度，而重量却比钢轻50%，比铝轻30%。

赛车技术应用于公路车的另一个实例是新型保时捷卡拉雷GT，它与奔驰迈凯伦SLR一样，具有全碳纤维核心结构。

德国汽车制造商Stuttgart选择使用碳纤维来制造其双座椅、中置发动机、高性能跑车，因为他想得到最低的重心和最小的重量。

Carrera具有一个主体结构，其中的底盘、前窗玻璃框架、翻车防护结构和中间控制台全部集合成一个整体结构。

因为CarreraGT基本上是一辆敞篷车，没有固定的车顶结构（碳纤维硬顶是可以拆卸的），该车的强度和硬度取决于它坚固的脊骨型车架和部分空间构架，而不是单体式外壳。

该结构由夹层材料制成，外层为碳纤维/环氧树脂、芯材为芳纶蜂窝，重量低于80千克。

钢质翻车保护杆共成型于前窗玻璃框架中。

复合材料发动机支承框架连接在主底盘上，以确保其真正形成整体结构的部件，这在赛车场被称为“滚动底盘”。

发动机机壳为夹层结构，由耐高温碳纤维预浸布外层和铝蜂窝芯材构成，仅重20.4千克。

复合总成承受着所有正常的静载荷和动载荷，载荷来自于发动机、驱动系、车轮、安全带等，它还承受着碰撞产生的额外压力。

除了这一核心结构，该车的车门、车身门槛、轮拱、行李箱盖、硬顶和斗式座椅全部是用复合材料制成的。

座椅是整体结构的一部分，在其右侧提供强度支持。

除了夹层结构的车门、两片式硬顶和行李箱盖以外，所有这些部件全部采用单片层压材料制成。

碳纤维车身底盖用螺栓固定在底盘上，采用了空气动力学设计，为以330千米/时高速行驶的汽车提供所需的下抓力，使汽车贴紧地面。

有着卓越性能和令人垂涎外观的碳纤维跑车，造价都不便宜。

尽管价格昂贵，但这些外观绚丽的跑车依旧吸引着许多顾客的眼球，显然，对于跑车，购买者真正欣赏碳纤维复合材料的工程和美学优势，并花得起钱来买。

5．总结

工业设计的核心是产品设计，而产品设计最为重要的就是形态的创造，而形态的创造又受制于材料的属性，不同的材料的属性决定了形态存在的方式。

对于材料的合理运用是工业设计创造的基础。

对于材料属性的了解，能为形态的创造提供新的途径。

不同的材料的运用，不同的材料的属性和表现形式能给与人不同的心理感受。

任何设计活动都必须通过一定的材料作为载体来创造内容。

材料和设计互为表里，各种设计都是借着材料来显露其面貌，也通过设计来表达材料的特性。

缺少材料，设计活动就无法实现。

换句话说，材料与设计是一体的两面，密不可分，所以在设计活动中，如何使材料得到有效的发挥并使材料的质感与功能充分表露，使极为重要的内容。

碳纤维材料的诞生无疑给工业设计领域带来了更多的突破和创新。

正如丹麦著名设计师克林特所说：

“运用适当的技艺去处理适当的材料，才能真正解决人类的需要，并获得率直和美的效果”。

参考文献：

XX百科

《材料与设计》

《碳纤维在汽车领域的应用》

《碳纤维复合材料与超级跑车》