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纳米纤维增韧膜在碳纤维汽车复合材料冲击吸能的应用浅析

   日期:2021-03-30     来源:复材模压网    浏览:964    
核心提示:碳纤维汽车重量仅是钢材的四分之一,与塑料制品相比,其强度是塑料制品的几十倍。碳纤维增强复合材料最早用于F1方程式赛车,这让赛车变得更轻、更快、更安全了。而后因在防腐蚀领域有其它金属无法比拟的优越性,且有较好的耐水性和抗老化性,无论在腐蚀性的环境还是恶劣的露天,潮湿的环境下都能正常作业,其使用寿命可达25年以上而后不断用于民用汽车。
      碳纤维汽车重量仅是钢材的四分之一,与塑料制品相比,其强度是塑料制品的几十倍。碳纤维增强复合材料最早用于F1方程式赛车,这让赛车变得更轻、更快、更安全了。而后因在防腐蚀领域有其它金属无法比拟的优越性,且有较好的耐水性和抗老化性,无论在腐蚀性的环境还是恶劣的露天,潮湿的环境下都能正常作业,其使用寿命可达25年以上而后不断用于民用汽车。

  人类在追求速度是没有极限的,汽车也在不断尝试突破更快的时速,但是碳纤维复合材料冲击吸能安全性是设计人员首要考虑的问题。

  

  2014年银石赛道碳纤维法拉利赛车

  如2014年银石赛道莱科宁的事故,其中一辆全身碳纤维增强复合材料法拉利赛车以每小时240公里的速度急速撞到赛道中的防护墙,瞬间的冲击力高达47g,随后被弹回赛道,然后再撞到了对面的护栏上,最后赛车驾驶员只是略受轻伤,自己爬出了赛车。但如果这是一辆普通的金属汽车,那么赛车手的安全性可想而知。相对于传统金属材料,碳纤维赛车在性能和安全保障方面有着跨越式的优势。

  

  宝马7系车身碳纤维应用

  无论是赛车还是民用汽车,最核心的市场定位就是碳纤维复合材料冲击吸能安全性和速度。对于赛车车身和其他可减轻重量的结构件,我们希望能有一种强度和韧性都很好的材料,既结实又不容易碎,碳纤维与一般的钢材对比,即有超过钢的强度,又有一定的断裂韧性,如我们熟知的钻石和玻璃,强度相当高,但是韧性非常低,一碰就碎,一砸就烂。另外橡胶材料,比如我们常见的轮胎,韧性很好,轻易不会断裂,但是没有钢的强度。

  图中纵轴 Strength 就是抗拉强度,而横轴 toughness 就是断裂能量,右上角深紫色的 composites 纤维复合材料和淡紫色的 metals and alloys 金属材料。由此图我们可以看到,FRP 碳纤维增强复合材料和传统的金属材料的韧性,抗冲击性相差不大。比如同样是金属材料,铜的韧性强于钢材,但是强度却明显低于钢材,而低合金钢的强度相比钢材有大幅提升。

  

  碳纤维和钢材韧性基本类似没有明显的区别

  汽车在碰撞中会产生很大的冲击力,如果材料有较好能量吸收能力,这样会使伤害降至最低。这就需要提供碳纤维韧性增强的能力,国内外有着较多的研究和试验,欧洲正在使用一种如大连义邦Xantu.Layr纳米韧性增强纤维膜在F1一级方程式赛车和超级跑车的碳纤维预浸料中,目的是为提高增韧及抗冲击性能。Xantu.Layr很容易被树脂浸湿,与环氧树脂和聚酯树脂系统兼容从而降低了脆性,同时也增加了环氧树脂在复合材料增强层之间的裂纹吸收特性。在某些情况下,添加纳米纤维可以将抗分层性提高170%,碳纤维复合材料冲击吸能提高20%。

  

  Xantu.Layr纳米韧性增强纤维膜

  随着碳纤维汽车市场的稳步发展,中国品牌汽车企业在经过数年市场历练、技术积累、产业升级后,纷纷推出高端品牌。从环境角度考虑,汽车轻量化可以节约1/4油耗,碳纤维增强复合材料能更加提高汽车轻质高强的特点,在此之后,这种使得赛车变得更轻、更快、更安全的材料再也没有离开过汽车的舞台。

 
 
标签: 碳纤维
 
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