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#30 輕度改裝指南碳纖維(一)

碳纖維不只能增加美觀,還能增強效能。


我們將從三個部分探討研究


現在很多人都熟知碳纖維複合材料(Carbon Fiber 通常簡稱為CF),其獨特的編織紋路和極佳的強度重量比,讓汽車售後零件市場在引擎、效能和外觀上都能應用這種全新的彈性材料。


碳纖維的應用可追溯至18世紀,愛迪生用來當作早期的燈絲材料。但是,直到1950年代,大家才發現碳纖維的高度伸展特性;接著,到了1960和1970年代,製作碳纖維絲和複合材料的工序變得更穩定,也為商業採購提供了雖有限但可靠的生產率。然而,製作高品質的碳纖維產品,需要非常精細的技巧和昂貴的工具,增加了生產的成本與難度。


在70年代勞斯萊斯航空部門率先採用了這種全新科技,用來製作新型引擎RB-211的機殼和壓縮器葉片,雖然應用效果有限(因為早期碳纖維複合物承受衝擊的耐受度較弱,一旦遭到飛鳥或飛射的碎片撞擊就會破裂),但其他航空、航太和汽車產業很快就抓準了碳纖維複合物的驚人潛力,開始用於各種零件的製作,例如機身、機翼和起落架…等。

一如既往,這種高端科技逐漸滲透至日常生活的各種製造應用,例如土木工程、運動用品、飾板、方向盤…等。



自90年代末起,這種產品的需求大增,直到20世紀,因為波音和NASA這些公司的大量需求,造成碳纖維複合物原料全球短缺,也讓價格節節攀升。眼光獨到的改造者們都希望自己的產品能以碳纖維製作,或至少看起來像,但價格必須實惠些,引起全球同業開始拋棄非碳纖維核心的零件,轉而研究這種全新的碳纖維層壓專業(但也還不至於到太專業)。

科學文件上的知識

碳纖維包含極細的纖維素(直徑大約0.005-0.01公厘),大部分的元素是碳原子,以排成晶體的方式強化尺寸和重量。這些纖維素結合成束狀,並編織成纖維結構,接著注入塑性樹脂(通常是環氧化物),以形成常見的預浸碳纖維化合物形狀,如片狀、塊狀或棒狀...等。樹脂其實是加壓注入碳纖維束,以期在產品成型後增加強度,這些片狀物會被做成不同的厚度,然後黏在平面上或澆鑄在3D立體結構上,通常會使用一種稱為壓力鍋(autoclave)的高壓爐來完成固化。


說到強度重量比,碳纖維複合物是目前人類文明所能大量製作的最佳材料,其延展強度甚至比鋼還要好。這類材料的延展性特別好(也就是壓縮、延展和彎曲的特性),但是受到直接撞擊時也相對較脆弱。舉例來說,一根碳纖維複合材料棒可以承受極大的彎曲力和受壓力,但如果用鐵鎚用力敲擊,就會裂開、斷掉或碎掉,而當碎裂時會分散成精細的粉末狀。有趣的是,這易碎的明顯缺點,通常卻反在迎頭車禍中讓人能保住性命,因為撞擊的方向或多或少都會與碳纖維的織紋方向平行而非垂直。換句話說,就是撞擊面是碳纖面板的車身前後或是攔腰(側面)撞擊的差別,若底盤和/或面板的複合材料用對了,那碳纖材質在承受撞擊力道的時候,會大幅吸收衝擊力並減低傳導到駕駛座上的動能,提高駕駛人的安全,這比其他的常見材質,如玻璃、纖維強化塑料和凱夫拉(Kevlar)好多了。


織紋

碳纖維可以被織成許多不同的紋路,以便因應需求增加不同方向或平面的強度,或是全面性的平均分布。常見的織紋說法有:1X1平針(又稱為寬亞麻或方紋)和2X2斜紋(又稱為窄斜紋),數字代表編織的緊密度(2X2代表上下各有2層織紋,4X4就是上下各有4層織紋);窄斜紋、平針和亞麻則代表紋路的樣式,其他像是絲束和密度則是用來描述特定的碳纖維纏結工序。


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