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鋼、鋁、銅、鈦、硬塑膠、軟塑膠、碳纖維…何者最適合造車?(二)碳纖維是強是弱?  

▲碳纖維管經過擠壓之後,纖維編織結構整個潰散!碳纖維材質原形畢露,事實上成型後的碳纖維材料並不耐擠壓,支撐性並非碳纖維的強項

某個專營工業油壓機的廠商,將鋼、鋁、銅、鈦、硬塑膠、軟塑膠、碳纖維等多種材質通通放到油壓機上進行抗壓力測試,答案跌破許多人的眼鏡,第一回合提到塑膠類的測試結果,如果對測試過程,以及壓克力、PVC材質抗壓性強弱有興趣的讀者,不妨參考第一回合的報導。

鋼、鋁、銅、鈦、硬塑膠、軟塑膠、碳纖維…何者最適合造車?(一)先談談塑膠材質

▲此圖可以明確看出碳纖維管的編織結構

▲碳纖維成形之前的碳纖維布就真的是柔軟的布,而且真的是編織結構,其優勢在於抗拉、抗扭、抗折,但是非常不利於壓縮

本回合直接解答許多人看到的一個疑慮,那就是碳纖維的抗壓力怎麼那麼低?如果單純看數字的話,碳纖維2998kg的表現,確實沒有什麼好炫耀,但在此可以明確告訴讀者,碳纖維材質最差、最差的物理特性就是抗擠壓與衝擊破壞!最強、最強的材料特性為抗拉、抗扭、彈性等表現,而且好壞表現差異非常大,以下做個解釋。

碳纖維原本為柔軟的纖維材質,其原始狀態就是線狀,成形方式乃是將碳纖維線材編織成布料,夠過層層堆疊,並以不同角度交錯增加強度,之後再透過「環氧樹脂」滲入碳纖維編織縫隙內並加熱固化,成為堅固的碳纖維零件。

問題來了,碳纖維材質本身本來就不具備支撐性,就算編織成布料還是沒有支撐性,至於固化成形後,支撐性其實是靠環氧樹指,所以像這種擠壓破壞測試,其實可以說是在測試環氧樹脂的抗壓力,碳纖維其實沒有發揮到支撐作用,因為碳纖維本身就是軟趴趴的纖維線,並沒有支撐功能。

這種概念,就像是鋼筋混凝土結構,如果擠壓鋼筋混凝土塊,其實主要是在測試水泥的強度,而不是在測試「鋼」的強度,畢竟混凝土中的鋼筋就這麼細,如何發揮支撐效用?相較下,如果以堅硬物體敲擊鋼筋混凝土塊,這樣的結構也很容易被破壞。換句話說,碳纖維材質同樣很怕敲打、衝擊,尤其是尖硬物體撞擊,結構同樣很容易受損。

▲碳纖維必須靠編織、樹脂膠合、層層堆疊、高溫燒製,方能達到高硬度、高韌性之特性,目前技術仍不斷進步當中

所以這項實驗,完全暴露了碳纖維成品的缺點!也可以說,壓縮測試其實與碳纖維材質特性無關,因為碳纖維原本就是軟性材質沒有支撐性,所以這根本就是在測試環氧樹脂的強度!

但也可以這麼說:碳纖維車體其實不利於結構安全與撞擊測試,因為擠壓和衝擊很容易看出碳纖維成品的脆弱,改善方法就是以結構幾何造型來應變,分散應力方向,並儘量採用實心設計,儘量避免中空結構。不過若是討論材料重量與最大支撐壓力的比例,碳纖維其實和鈦合金、高剛性鋼材相似,抗擠壓實力其實並不差。

但話說回來,如果是比較抗拉、抗扭、抗折等特性,碳纖維材質則是明顯優於測試中的其他材料,因此目前高級羽球拍、網球拍的材質只有碳纖維,頂尖超級跑車的車體結構,也是以碳纖維為主。此外碳纖維材質的特性還有進化空間與量產技術的突破,相較下其他材質多數面臨技術瓶頸難以突破,因此碳纖維其實還有充滿遠景的未來。

材質、重量、最大支撐壓力、重量與支撐壓力比

壓克力管 : 09g 、 1538kg 、 170倍

PVC管 : 11g 、 1004kg 、 91倍

碳纖維管 : 11g 、 2998kg 、 272倍

鋁管 : 20g 、 3840kg 、 192倍

鈦管: 33g 、 9190kg 、 278倍

黃銅管: 45g 、2568kg 、 57倍

普通焊接鋼管: 58g 、4750kg 、 81倍

高硬度無縫不銹鋼管: 59g 、 15800kg 、 267倍