以碳纖維談材料發(fā)展與設(shè)計(jì)資料

以碳纖維談材料發(fā)展與設(shè)計(jì)摘要：在現(xiàn)代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新雖然是設(shè)計(jì)的重要砝碼，但是材料的運(yùn)用，又是另一種全新的視野，你可以忽視材料的效果，但是你不能不知道材料的功能，因?yàn)楫a(chǎn)品的創(chuàng)新是依附在實(shí)現(xiàn)功能的前提下。而材料的不斷發(fā)展，也為產(chǎn)品的創(chuàng)新增加了更多的可能性。一.材料與設(shè)計(jì)材料是設(shè)計(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)和載體。是科學(xué)技術(shù)研究的重要方面，設(shè)計(jì)材料由比較單一的木材，陶瓷，玻璃，金屬到越來越豐富的塑料、復(fù)合材料為產(chǎn)品設(shè)計(jì)展開了一個(gè)廣闊的天地。基本功能相同的產(chǎn)品，由于采用了不同的材料和加工工藝，就可以帶來巨大的形態(tài)變化，隨后帶來的是使用變化和精神功能的變化。例如電視機(jī)外殼，用木質(zhì)層板來做，因?yàn)槭艿讲牧咸匦院图庸すに嚨闹萍s，一般會(huì)做成方形。如果后殼要做成弧度就有一定的難度。但是如果用工程塑料來做電視機(jī)外殼的話，就很容易用壓注成型的方法實(shí)現(xiàn)曲面的造型。材料總是能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)師帶來很多新的思路。新材料對(duì)設(shè)計(jì)的影響不僅限于技術(shù)性應(yīng)用的范疇，而是包含了整體質(zhì)感。一直對(duì)設(shè)計(jì)流行趨勢(shì)所形成起著激發(fā)作用。在材料日益豐富、材料技術(shù)不斷發(fā)展的今天，“材料設(shè)計(jì)”成為了設(shè)計(jì)創(chuàng)新的重要手段。設(shè)計(jì)師不必受到材料限制，或者被動(dòng)的接收材料科學(xué)的研究成果。而是積極的評(píng)價(jià)和探索各種材料在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值，發(fā)掘材料在設(shè)計(jì)造型中的潛力。二.碳纖維1.什么是碳纖維碳纖維被譽(yù)為是當(dāng)今世界上材料綜合性能的頂峰，是21世紀(jì)的黑色革命，是適應(yīng)宇航、航空、原子能等尖端工業(yè)發(fā)展的需要而研制開發(fā)的一種新材料。碳纖維(carbonfiber)，顧名思義，它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。與傳統(tǒng)的玻璃纖維(GF)相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱芙拉纖維(KF-49)相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。有學(xué)者在1981年將PAN基CF浸泡在強(qiáng)堿NaOH溶液中，時(shí)間已過去30多年，它至今仍保持纖維形態(tài)。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為230~430Gpa亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。碳纖維的歷史發(fā)展年愛迪生通過碳纖維的碳化，在不破壞纖維素結(jié)構(gòu)的情況下，第一次制造出碳絲，并把其用作電燈泡的熾熱燈絲。由于碳纖維有一定得缺點(diǎn)，限于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，未能制造出體現(xiàn)碳纖維更多優(yōu)良特性的產(chǎn)品，致使碳纖維冷落一時(shí)。碳纖維的研制并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，始于20世紀(jì)50年代，1996年全世界碳纖維總產(chǎn)量達(dá)到1700t。其中聚丙烯氰基纖維占85%，其余是瀝青基纖維，由于聚丙烯氰基纖維作原料，其生產(chǎn)工藝比較簡單，產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)良，因此得到了大力發(fā)展；瀝青基纖維由于原料豐富，價(jià)格便宜，在民用工業(yè)方面獲得很好的推廣使用。三.碳纖維在汽車上的應(yīng)用汽車車身、底盤由于碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料有足夠的強(qiáng)度和剛度，其適于制造汽車車身、底盤等主要結(jié)構(gòu)件的最輕材料。預(yù)計(jì)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車車身、底盤減輕重量40%?60%，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)重量的1/3?1/6。英國材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室曾對(duì)碳纖維復(fù)合材料減重效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明碳纖維增強(qiáng)聚合物材料車身重量僅為172kg，而鋼制車身重量為368kg，減重約50%。并且當(dāng)生產(chǎn)量在2萬輛以下時(shí)，采用RTM工藝生產(chǎn)復(fù)合材料車身成本要低于鋼制車身。東麗確立了使用碳纖維強(qiáng)化塑料（CFRP）、在10mi口內(nèi)成形汽車底盤（前地板）的技術(shù)。但由于碳纖維成本過高，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用有限，僅在一些F1賽車、高級(jí)轎車、小批量車型上有所應(yīng)用，如BMW公司的Z—9、Z—22的車身，M3系列車頂蓬和車身，GM公司的Ultralite車身，福特公司的GT40車身、保時(shí)捷911GT3承載式車身等剎車片碳纖維還因?yàn)槠洵h(huán)保、耐磨的特點(diǎn)而應(yīng)用在剎車片上，但含有碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)品都格外貴，所以目前這種剎車片還主要應(yīng)用在高檔轎車上。碳纖維制動(dòng)盤被廣泛用于競(jìng)賽用汽車上，例如F1賽車上。它能夠在50m的距離內(nèi)將汽車的速度從300km/h降低到50km/h,此時(shí)制動(dòng)盤的溫度會(huì)升高到900℃以上，制動(dòng)盤會(huì)因?yàn)槲沾罅康臒崮芏兗t。碳纖維制動(dòng)盤能夠承受2500℃的高溫，而且具有非常優(yōu)秀的制動(dòng)穩(wěn)定性。雖然碳纖維制動(dòng)盤具有性能卓越的減速性能，但是目前在量產(chǎn)的汽車上使用碳纖維制動(dòng)盤卻并不實(shí)際，因?yàn)樘祭w維制動(dòng)盤的性能在溫度達(dá)到800℃以上時(shí)才能夠達(dá)到最好。也就是說，必須在行駛了數(shù)公里之后，汽車的制動(dòng)裝置才能進(jìn)入最佳工作狀態(tài)，這對(duì)于大多數(shù)只是短途行駛的車輛并不適用。另外，碳纖維制動(dòng)盤的磨損速度很快，制造成本也非常高。.座椅加熱墊碳纖維汽車座椅加熱墊是碳纖維加熱應(yīng)用于汽車工業(yè)的一個(gè)突破，碳纖維加熱元技術(shù)在汽車配套市場(chǎng)變得越來越受歡迎，它將會(huì)完全替代傳統(tǒng)的座椅加熱系統(tǒng)。目前幾乎全球所有汽車制造廠商的高檔、豪華轎車都配備了這種座椅加熱裝置，比如奔馳、寶馬、奧迪、大眾、本田、日產(chǎn)等等。碳纖維熱載荷碳纖維是一種比較高效能的導(dǎo)熱材料，熱效率高達(dá)96%,并在加熱墊中均勻密布，保證熱量在座椅加熱區(qū)域均勻釋放，碳纖維線及溫度分布均勻，又確保了加熱墊長期使用保持座椅表面皮革平整完好。不產(chǎn)生紋路痕跡、不產(chǎn)生局部變色。溫度超出設(shè)定區(qū)間則自動(dòng)斷電，不能滿足溫度要求時(shí)自動(dòng)通電調(diào)節(jié)溫度。碳纖維適宜人體吸收的紅外線波長，具有促進(jìn)健康的保健作用，可以充分減少駕乘疲勞，增加舒適度。.輪轂德國的知名輪轂制造專家WHEELSANDMORE推出的“Megalight-Forged-Series”輪轂系列，采取兩片式設(shè)計(jì)，外環(huán)為碳纖維材質(zhì)打造，內(nèi)轂為輕量化的合金，搭配不銹鋼制的螺絲，較一般同尺碼的輪轂可輕上40成左右；以20寸的輪轂為例，Megalight—Forged—Series輪圈僅有6kg,較一般大約18kg的重量相較，輕了一大截。20寸的Megalight—Forged—Series一組輪轂要價(jià)2萬歐元，約21.86萬人民幣；目前共有18?23寸尺碼可供選擇。四.碳纖維成就超級(jí)跑車半個(gè)世紀(jì)前，燦燦生輝的跑車將賽車的動(dòng)力和光彩帶到了公路上。今天，跑車依然要做到這一點(diǎn)，但是能滿足此要求的現(xiàn)代跑車很可能是用碳纖維制造的，而不是金屬。梅賽德斯奔馳邁凱倫（）和保時(shí)捷卡拉雷（）就是兩個(gè)很好的例子。如果現(xiàn)代的梅賽德斯奔馳邁凱倫能夠不負(fù)年前其前輩一著名的奔馳公路車的盛名，奔馳及其合作伙伴們會(huì)對(duì)他們?cè)诂F(xiàn)代限量版超級(jí)跑車上的冒險(xiǎn)非常滿意。SLR現(xiàn)代限量版超級(jí)跑車上的冒險(xiǎn)非常滿意。SLR沿襲了300sL的一些獨(dú)特風(fēng)格，并使用了公路賽車的制造技術(shù)。SLR安裝有一個(gè)460千瓦（626bph）的V8發(fā)動(dòng)機(jī)，可以使其在3.8秒內(nèi)從0加速到100千米/小時(shí)，然后達(dá)到最大速度334千米/小時(shí)。SLR還包括一個(gè)互相匹配的變速器和懸架結(jié)構(gòu)以及全復(fù)合材料的主體結(jié)構(gòu)。車身前半部分充分顯示了其賽車血統(tǒng)，車身前端的中心很像F1銀劍（SilverArrow）的鼻錐，這是其領(lǐng)先的合作伙伴邁凱倫（McLaren）成功設(shè)計(jì)出來的，而且整個(gè)底盤/車身采用碳纖維增強(qiáng)塑料（CRP）制造。CFRP具有輕質(zhì)堅(jiān)固的特點(diǎn)，使得公路汽車的性能優(yōu)于多數(shù)其他材料制成的汽車。同時(shí)，這種材料還具有一定程度的保護(hù)功能，可以保護(hù)司機(jī)免受高速碰撞造成的傷害。與現(xiàn)代的一級(jí)方程式賽車一樣，該車的主體組成部分是一個(gè)堅(jiān)固的單殼式結(jié)構(gòu)，所有元件直接裝配在上面。這些元件當(dāng)然包括底盤元件、發(fā)動(dòng)機(jī)支承、前端的防撞擊結(jié)構(gòu)和尾部結(jié)構(gòu)。該單殼式結(jié)構(gòu)是一個(gè)安全的密閉結(jié)構(gòu)，在交通事故中為乘客提供高度保護(hù)。堅(jiān)固的縱向CFRP元件組成的防撞擊結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了對(duì)頭部撞擊的保護(hù)性能，因?yàn)镃FRP元件在吸收能量的同時(shí)是逐漸碎裂的。據(jù)梅賽德斯-奔馳公司介紹，使用碳纖維可以制造出超輕的車身，而硬度和強(qiáng)度也更符合F1的要求。CFRP元件具有與鋼或合金元件相同的強(qiáng)度，而重量卻比鋼輕50%，比鋁輕30%。賽車技術(shù)應(yīng)用于公路車的另一個(gè)實(shí)例是新型保時(shí)捷卡拉雷GT，它與奔馳邁凱倫SLR一樣，具有全碳纖維核心結(jié)構(gòu)。德國汽車制造商Stuttgart選擇使用碳纖維來制造其雙座椅、中置發(fā)動(dòng)機(jī)、高性能跑車，因?yàn)樗氲玫阶畹偷闹匦暮妥钚〉闹亓俊?/p>

Carrera具有一個(gè)主體結(jié)構(gòu)，其中的底盤、前窗玻璃框架、翻車防護(hù)結(jié)構(gòu)和中間控制臺(tái)全部集合成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。因?yàn)镃arreraGT基本上是一輛敞篷車，沒有固定的車頂結(jié)構(gòu)（碳纖維硬頂是可以拆卸的），該車的強(qiáng)度和硬度取決于它堅(jiān)固的脊骨型車架和部分空間構(gòu)架，而不是單體式外殼。該結(jié)構(gòu)由夾層材料制成，外層為碳纖維/環(huán)氧樹脂、芯材為芳綸蜂窩，重量低于80千克。鋼質(zhì)翻車保護(hù)桿共成型于前窗玻璃框架中。復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)支承框架連接在主底盤上，以確保其真正形成整體結(jié)構(gòu)的部件，這在賽車場(chǎng)被稱為“滾動(dòng)底盤”。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼為夾層結(jié)構(gòu)，由耐高溫碳纖維預(yù)浸布外層和鋁蜂窩芯材構(gòu)成，僅重20.4千克。復(fù)合總成承受著所有正常的靜載荷和動(dòng)載荷，載荷來自于發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)系、車輪、安全帶等，它還承受著碰撞產(chǎn)生的額外壓力。除了這一核心結(jié)構(gòu)，該車的車門、車身門檻、輪拱、行李箱蓋、硬頂和斗式座椅全部是用復(fù)合材料制成的。座椅是整體結(jié)構(gòu)的一部分，在其右側(cè)提供強(qiáng)度支持。除了夾層結(jié)構(gòu)的車門、兩片式硬頂和行李箱蓋以外，所有這些部件全部采用單片層壓材料制成。碳纖維車身底蓋用螺栓固定在底盤上，采用了空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，為以330千米/時(shí)高速行駛的汽車提供所需的下抓力，使汽車貼緊地面。有著卓越性能和令人垂涎外觀的碳纖維跑車，造價(jià)都不便宜。盡管價(jià)格昂貴，但這些外觀絢麗的跑車依舊吸引著許多顧客的眼球，顯然，對(duì)于跑車，購買者真正欣賞碳纖維復(fù)合材料的工程和美學(xué)優(yōu)勢(shì)，并花得起錢來買。五.工業(yè)設(shè)計(jì)的核心是產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而產(chǎn)品設(shè)計(jì)最為重要的就是形態(tài)的創(chuàng)造，而形態(tài)的創(chuàng)造又受制于材料的屬性，不同的材料的屬性決定了形態(tài)存在的方式。對(duì)于材料的合理運(yùn)用是工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)造的基礎(chǔ)。對(duì)于材料屬性的了解，能為形態(tài)的創(chuàng)造提供新的途徑。不同的材料的運(yùn)用，不同的材料的屬性和表現(xiàn)形式能給與人不同的心理感受。任何設(shè)計(jì)活動(dòng)都必須通過一定的材料作為載體來創(chuàng)造內(nèi)容。材料和設(shè)計(jì)互為表里，各種設(shè)計(jì)都是借著材料來顯露其面