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一篇台湾人写的碳纤维介绍,信息量很大

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签到天数: 472 天

[LV.9]元老会员II

发表于 2014-11-21 13:53:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

   一篇台湾人写的关于碳纤维的介绍,观点虽有失偏颇,但是有一些思考方式还是值得我们借鉴的。分享出来,以飨读者
前言
很久很久以前那个古老的年代,从罗光男的光南集团开始,台湾其实已经建立起碳纤维复合材料王国的优势了。打不死的中小企业、天下无敌的模具设计能力、吓死人能够山寨的机械装备和制造厂商、在再加上台塑还他妈的竟然可以生产碳纤维这种高级货,这根本简直就是为碳纤维复合材料量身打造的基础啊。
所以后来光南集团倒闭后(倒闭八卦很多,三天三夜也说不完),培养出来的工程师四散八方,就有如把整篮的种子洒向了肥沃的土壤,创业成功的例子比比皆是,更是造成了台湾复合材料工业百花齐放的盛况。从碳纤球拍、碳纤钓竿、碳纤高尔夫球杆到今天的高级碳纤维自行车。这些可都是货真价实的创造台湾经济奇迹的幕后无名英雄啊。当然了,他们钱也没少赚。
从某方面讲,复合材料很适合台湾中小企业的发展。设备简单,进入门槛低,加上一开始说的台湾整体产业环境相当优良,因此台湾的复合材料厂商实在是数不胜数啊。
说了这么多无聊的话是不是想被人炮轰?不过复合材料这种东西制备工艺千万种,碳纤维跟树脂的搭配更是千奇百怪,这一领域绝对是易懂难精。台湾复合材料公司又这么多,每家公司都还有自己的一套理论,想要自以为是的介绍复合材料领域,难免不被炮轰。
可是说真的,就算已经做了十几年的复合材料研究,也不敢说自己是复合材料领域的专家吧,下边列一些专业知识:
热固性树脂分类:环氧、酚醛、乙烯基、不饱和树脂…
热固性树脂添加剂种类:硬化、催化、抑制、增韧…
热塑性树脂分类:聚乙烯聚丙烯
热塑性树脂添加剂种类:增韧、阻燃…
增强纤维种类:玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维…
纤维处理:表面处理、浆液、油剂…
成型方法:挤出、射出、真空袋、真空釜、拉挤、模压、缠绕…
设计分析:应力分析、成型分析、破坏分析、非破坏分析…
只要想做复合材料,上面讲的每一个分类都要了解,但这些分类里面,每一个单项可都是让人钻研数十年也学不全的技术啊。谁还敢自称复合材料专业?
因为自己本身刚好就在这个行业,对碳纤维复合材料有一些研究,常看到许多人对于碳纤维强度规格各方面都不是很了解,再加上网上常常有一些错误的表述,误导人的说法,就像从头介绍一下碳纤维。
先要了解碳纤维首先简单介绍一下碳纤维的历史。什么爱迪生从竹子抽出碳纤维的那些起源我就不讲了,自己可以百度一下。我就直接说网上找不到的八卦吧。目前全球碳纤维生产公司大致可以分为四大公司、两大集团。四大公司分别是东丽、东邦、三菱、台塑。是的,你没看错,前三甲都是日本顶级的集团公司,台塑虽然搞得台湾西南沿岸生态恶化,不过他确实是全世界前四大碳纤维生产公司。所以台塑碳纤维确实很了不起,因为他确实养活了很多人,因为这些碳纤维创造了很多台湾产业的第一,因为碳纤维确实是个好东西,生产难度也极大,什么比强度就不说了,只因为碳纤维是重要的国防材料,深入了解就知道重要性真是屌爆了。
举个例子就知道碳纤维多重要了,隔壁中国大陆最近有钱了,所以想要搞国防航天技术自主。因此拼了老命的想要国防航天领域中最重要的材料——碳纤维的生产技术。但这方面,大陆研究了30年却连个屁也生不出来。真好笑,原子弹都生产出来了,却造不出碳纤维。到了2007年,大陆实验室好不容易弄出个T300等级的3K碳纤维,国务院总理温家宝参观后感动的说“30年磨一剑”,“中国人终于可以站起来了”。狗屁,在复合材料行家眼里,那磨个狗屁剑,大陆现在的国产碳纤维连指甲刀都称不上。这种等级的碳纤维顶多可以称为“铁牙签”。所以说30年磨一只铁牙签出来,也真是辛苦那些大陆的碳纤维研究学者了。
不过我要澄清,我不是瞧不起大陆人,严格说起来我怕死大陆了,大陆为了发展碳纤维,国家主席一声令下,立刻几千亿的资金就成立了十几间碳纤维生产公司,我好怕啊。虽然那些大陆厂商还在生产“铁牙签”,技术上还是相差八千里路云和月,但是我真是好怕啊。所以说,还是要赞赏一下台塑公司。印象中台塑公司一向不是以研发技术出名(偷技术和买技术是很有名)。可是碳纤维这种尖端国防技术却跌破眼镜真的让台塑自己研发出来了。台塑有这种傲人的碳纤维研发技术确实是了不起啊。
话说出来了,早先台塑碳纤维品质与另外三家日本厂商也是天壤之别,不过近几年不知从哪里偷学技术,整个品质似乎突飞猛进了。好多对外宣称全部使用东丽的碳纤维厂商,私底下也偷用了台塑的碳纤维,这是业界公开不能说的秘密。不过也因为台塑有碳纤维,台湾才可以从碳纤维球拍、碳纤维钓鱼竿、碳纤维高尔夫球杆到了碳纤维自行车。完整的碳纤维复合材料上中下游产业链所产生的竞争力,养活了多少人啊。
写到这里突然发现本来只想简单介绍一下碳纤维四大公司,结果不小心打出吹捧台塑的文章。言归正传,先了解什么是碳纤维。
先故意以一般人听不懂的说法定义好了:乱层结构的稳定连续碳原子组成的连续性碳纤维材质。OK,听不懂很正常,因为上面这句话是我瞎掰的。不要骂我,写这种很正经的文章不是我的风格,随便瞎掰才是我的兴趣和专长,不过,我下面会尽量努力正经一点写啦....
来个照片介绍吧
这就是单一根碳纤维(SEM相片,第一段里面唯一正常照)
碳纤维直径只有头发的1/50,这张是头发,想像他的1/50细的一根毛(也是SEM照相,找好久才找到有头皮屑的SEM照片)。
看得懂的人就自己看,看不懂的人不要问我的碳纤维结构图
K数的差异
OK,进到了第二段,接下来先从K这个东西说起。一般来说『K数』是指一束碳纤维中有几千根的单丝。3K就是指一束碳纤维中有3,000根单丝碳纤维。12K就是指一束碳纤维中有12,000根单丝碳纤维。如果你不是跳著看,那应该看过了最开头的介绍,也应该知道单根碳纤维长甚麼样子。
人的眼睛正常看起来是这样,很明显,12K碳纤维比3K碳纤维看起来又粗又黑多了。
T300、T600、T700、T800、T1000的差异
        接下来讲上述这些型号的差异,这些都是日本东丽(TORAY)公司的碳纤维型号。因为Toray公司太屌了,做碳纤的谁没听过锋哥啊,不是,做碳纤的谁没听过Toray啊。所以其余几家碳纤生产公司都会跟随Toray公司的等级生产,简单来说就是跟风啦。以T700等级的来说,其余三家碳纤生产公司也都有一模一样强度的产品。心机一点来说,如果你看到车架介绍上面写:使用T700『等级』的碳纤维那麼你也就可以合理怀疑他使用的碳纤维是其他公司生产的(例如FPC 12K36S)回到正题,因为这些型号是Toray公司当初按照强度下去分的,所以碳纤强度T300<T600<T700<T800<T1000 是毫无疑问的但是有一个重点,也是最多人误解的部分请先看下表,这是TORAY公司最新的型录。
(注意Number of filaments那一栏代表几K)
注意到了吗?!
高级货(T600以上)都只生产12K、24K的碳纤维
强度最差的T300那一等级才有1K、3K的碳纤维
        所以如果单以强度来说,1K、3K的碳纤维通常是远不及12K、24K的碳纤维的(不过售价上越小K数的越贵,成比例关系)(强度跟编织方法甚麼的也没很大关系,下一段会解释)注:车架用到1K、3K碳纤的部分也都只有表面最外层的外观材。
编织布与UD的差异
        上面已经介绍完碳纤维了,下面开始说一些碳纤成型的基础。觉得我讲的速度会太快吗?如果觉得我介绍太快的同学,麻烦看慢一点好吗?

        下面继续,碳纤维虽然是一束一束的,但是自行车使用的是却是『碳纤维布』。甚麼是碳纤维布呢? 大概可以分成以下两种
上面这种交错式的是编织布(Woven Fabric)
下面这种单一方向的是单向布(Unidirection Prepreg)
OK,编织布(woven)和单向布(UniDirection)用在自行车上各有各的优缺点

编织布优点:好看、层间剪应力高 (后面那一点是我好不容易才想出来的)
编织布缺点:强度低、贵 (编织需要花钱)
一般人一定要看到碳纤编织的花纹,才会觉得里面是用碳纤
而且越小K数的碳纤维编织出来的花纹越好看,
所以一般编织是使用1K、3K的碳纤维编织,
但1K、3K的碳纤维强度不高又贵,
所以只好用一层在最外层来当外观材,
另外,在一次意外1K、3K的碳纤维大缺货时
某家变通的厂商也发展出所谓的大理石纹这种流行的变种外观
单向布优点:强度高且稳定,叠层角度可设计,价格便宜
单向布缺点:成型后外观看不出是碳纤维
很多人都知道碳纤布是一层一层叠起来的
所以单向布的好处是可以随著设计变化角度来应用不同的受力方向

再加上单向布的强度远高於编织布,
所以目前自行车碳纤维零组件除了最外层之外
内层(约10~30层,各家厂商不同)几乎都是使用单向布

那有人一定会问为什麼最外层不乾脆也用单向布呢?老实说,你如果看到下面这根欧唛唛的碳纤维管,会很嗨吗?
这个社会是很现实的,碳纤维世界也是这样
没有最外面那层皮,你会看得起他吗?
如果韩狗艺人都不整型,那麼碳纤外观材还会需要编织布吗?…………
(我这人的文章风格就是降,不管怎样都可以随便凹回来骂韩国人)
强度与模数的差异
接著,这是今天最后一段碳纤维复材介绍了
不是因为已经讲得差不多了,而是因为我累了。

OK,最后我想介绍的是
强度(Tensile Strength)和模数(Tensile Modulus)的不同

简单来说 (完全是想草草结束的嘴脸)
强度越高越拉不断,强度越低轻拉就断
模数越高就硬梆梆,模数越低就软趴趴

自行车对於这两项特性都有需求
一般的T700、T800、T1000就是针对强度的需求
所谓的M35J、M50J、M60J针对的则是模数的需求
以自行车来说,T1000强度虽高,但绝对无法整车都用T1000,
而M60J模数虽然顶天,也是绝对无法整车都用M60J的碳纤维。

一台骑起来软硬适中的车一定要T系列和M系列的碳纤维都有,
所以有良心的车厂除了标示使用T1000碳纤维做强度补强外,
还会再注明模数是以M60J补强,让资讯透明。
不过呢,再有良心的车厂,只要达到强度和重量的需求
车架里面一定会多多少少放一些T700来降低成本啦
我就曾亲眼看过一台定价15000欧元以上的欧洲车厂车
里面车架部分还是有给他偷偷使用T700的碳纤啊,这就是成本观念啊
不过这里一定要提出的是,M60J主要是模数强化系列的碳纤维,
所以不要只看他强度好像还比T800低,以为他是三流碳纤。
拜托,M60J的模数是T1000的两倍不只啊
老实说,
买的到T1000的碳纤,还不一定买的到M60J的碳纤勒,
M60J的碳纤维在复材行家眼里根本就是Toray所开发的一种伟大艺术品啊

综合今天上述所讲的,希望对大家能多一点帮助
简单来说碳纤车架不需要去注意到底是几K,
那只跟最外层花纹有关系
如果真的在意,不如去了解车架里用了哪些碳纤维
T700 or T800 or T1000,比例多少?
M35 or M50 or M60,比例多少?
不过话说回来,知道了又怎样,骑起来会飞天吗?

最后,讲一件八卦好了(唯恐天下不乱)
大家知道碳纤很贵,那大家知道碳纤的价格吗?
T700大概1公斤17美金吧,T800价格约T700的3倍左右
(T1000就不是价格问题,是买不买的到的问题)
(请各家业者采购不要说我唬烂,你买不到这价格是因为贵公司等级不够)

如果加上树脂的最后成品(树脂较便宜,碳纤/树脂重量比大概6:4)
T700材料成本价格大概1公斤12美金左右
T800比较贵,大概要到1公斤35美金吧
不过整车内部也通常不会全是T800,看厂商诚意意思意思放个几层吧………
高模数碳纤维一直是我心中的艺术品,
尤其碳纤维四大公司中 Toray 公司所生产的M60J 更是我心目中的伟大传奇
如果不了解的人,请去看我前面的文章吧....
(不过老实说我前面的文章也是写得很不清楚,所以建议就不用浪费时间了)

好吧,回归正题
中高模数的碳纤维一直是一种高科技国防管制用品
用途相当广泛,简单来说

不管是航太方面,
或是汽车方面,
都能找到其使用的踪迹,实在是人类科技文明跃升进步背后的动力支撑来源啊..........

简单来说,自从1961年 近藤昭男博士发明PAN系碳纤维之后
(南韩媒体:近藤 昭男是南韩人,所以碳纤维是南韩人发明的)
TORAY公司到目前已经是碳纤复材业界最屌的一家碳纤维原料生产公司了
以Toray公司来说
其碳纤维产品大致可分为以强度为主的T系列和以模数为主的M系列

两者在外观上差异不大,但生产方式有所差别
在最后的高温炉烧结温度到达极限(1500度C以上)之后
再以超高温石墨炉将碳纤石墨化(2000度C以上)后才可以生产出M系列
所以如果你看到网路规格中有HM,那就表示有高模数补强
24HM约T700等级 (业界俗称24 吨)
30HM约T800等级 (业界俗称30 吨)
40HM约M40J等级 (业界俗称40 吨)
60HM约M60J等级 (业界俗称60 吨)

(复制贴上真是个好东西,不过自行车业者爱乱标,大家自行推理吧)
其中T1000 和M60J 等级的碳纤维可都是其他家竞争对手望尘莫及的高规格产品
写到这里,可能还是有人分不清甚麼是模数,甚麼是强度
我很想说,如果不了解的请去看我前面的文章
不过老实说,我前面的文章写到这段时懒病发作,一整个偷懒
所以我建议也不需要特地去找来看了
就直接在这里稍微讲详细一点吧

所谓的引张强度就是指,可以把材料拉断的力量大小
强度越高越拉不断,强度越低轻拉就断
举例来说
橡皮筋引张强度低,所以稍用点力就可以把他拉断了
钢丝引张强度高,你再怎麼用力也拉不断........

而所谓的引张模数呢,就是指材料受力变型的程度
模数越高就硬梆梆,模数越低就软趴趴
举例来说
玻璃就是硬梆梆界的最佳范例(模数高)
你再怎麼用力去扭他,也很难去把他扭到变形
而黏土就是软趴趴界的最佳代表(模数低)
随便轻轻一扭,黏土就整个变形了

如果要提高碳纤维的模数,就需要超高温石墨化,不过碳纤在石墨化之后
随著石墨炉内最高温度的增加,模数(Tensile Modulus)虽然随之增加
但是强度 (Tensile Strength)确会逐渐下降,此为碳纤维之理论特性
从下面第一张图的碳纤分布就可以略知一二
引张弹性率(就是所谓的模数)增加时,引张强度会逐渐下降
所以要做T1000的强度容易 (其实也不容易啦)
要生产M60J的模数可就不是那麼简单了.................
M系列的碳纤维跟T系列的碳纤维在外观上长的几乎是一模一样
不过手感会比较软,也比较容易起毛,但从外观来看一般人是分不出来的
至於使用的方法 一样是做成UD PREPREG (单向预浸布)后,一卷一卷再去裁切叠层
主要用来补强车架里需要刚性的部分啦
但为甚麼我说高模数的碳纤维是极品呢
先看下面这张图
上图是TORAY公司的所有碳纤维强度分布,纵轴是强度,横轴是模数
所以你可以看出里面大致分为以纵轴强度为主的高强度系(T系列)
和以横轴的弹性模量为主的高模数系(M系列)
那是两个截然不同的强化方向啦不过为何我钟爱M系列呢
再看下面这张碳纤维应用分布图就知道了
看到没,两张图一比较
就可以知道高模数M系列可是为了 "宇宙" 用途而开发的啊
那可是"宇宙"用途啊
光听到那两个字,双手握拳的我,左胸口的热血就开始噗通噗通的一直乱喷啊
历史上打败恶魔党,保护地球,维护宇宙和平,在大气层里面外面飞来飞去的传说 靠的就是高模数M系列啊
文章出自  苏格拉伟 [url=]碳纤维资讯[/url]


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[LV.8]元老会员I

发表于 2014-11-21 16:54:39 | 显示全部楼层
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[LV.9]元老会员II

发表于 2014-11-21 19:29:04 | 显示全部楼层
果然介绍的很详细
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[LV.9]元老会员II

发表于 2014-11-21 20:38:29 | 显示全部楼层
支持台塑,不管是业务还是技术都相当专业
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[LV.8]元老会员I

发表于 2014-11-22 10:45:50 | 显示全部楼层
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[LV.6]论坛粉丝II

发表于 2014-11-22 13:30:37 | 显示全部楼层
本帖最后由 姚工 于 2014-11-22 13:36 编辑

有一些写得还好,不过作者只能是算了解,不能算透和精,甚至可以说对材料知道的很少,一个最基本的拉伸强度,拉伸模量的概念都要反复说,好像是什么神秘的东西,确不知道这是高分子里最基本基本的东西,哪个材料不测呀,当然对大陆的情况更是不了解。
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[LV.9]元老会员II

 楼主| 发表于 2014-11-22 13:50:37 | 显示全部楼层
姚工 发表于 2014-11-22 13:30
有一些写得还好,不过作者只能是算了解,不能算透和精,甚至可以说对材料知道的很少,一个最基本的拉伸强度 ...

说的好
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[LV.5]论坛粉丝I

发表于 2014-12-3 07:08:32 | 显示全部楼层
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