碳纤维与锻造碳

2018-05-30李北

钟表 2018年2期

碳纤维（CF，Carbon Fiber）被誉为“材料之王”，更有“黑色黄金”之称，足见其性能之优越、价值之贵重。碳纤维是由单质碳组成的一种特殊纤维，其碳含量随产品种类不同而异，一般在90%以上，高于99%的属于石墨纤维。碳纤维复合材料具有增强相与基体相构成的多相结构，是以碳纤维为增强体，以金属、树脂、陶瓷、碳、水泥、橡胶等为基体的先进复合材料。所谓先进复合材料是指“在原有的单一材料基础上，以原有材料为基体，通过一定的工艺手段在基体材料中增加增强相，使材料展示出新的性能”，好像建筑材料中以螺纹钢为增强筋，水泥石块为基体的砼（钢筋混凝土）。尽管人们有时也习惯地将碳纤维复合材料简称为碳纤维，可事实上二者完全不是一回事。

瑞士手表品牌十多年前就开始尝试应用碳纤维复合材料制作手表外观件和机心夹板。最早使用碳纤维复合材料表壳的是爱彼的皇家橡树离岸型系列（2007年），随后宇舶的BIG BANG系列、万国的工程师系列和沛纳海的1950系列等都使用过碳纤维复合材料表壳。爱彼品牌基于材料成型工艺，亦或出于创意和商业因素将其命名为锻造碳，给手表碳纤维复合材料应用蒙上了一层神秘的面纱。就像人们常用的药品一样，除了有商品名外还必须有药理学意义上的化学名称，这些富有创意和技术含量的手表外观件所使用材料的准确名称是碳纤维增强复合材料（CFRP）或高压常温工艺成型的片状模压料（FC-SMC），统称碳纤维复合材料。这两种材料性质相同，但在可视纹理上有所差别：前者由长纤维编织呈格子状条纹，后者短纤维呈弥散状无序排列。至于哪种纹理更美观，取决于见仁见智的审美个性。碳纤维片状模压料（SMC，Sheet Molding Compounds）的锻造复合技术（FC，Forged Composite）是由美国Quantan复合材料公司与美国卡拉威高尔夫公司、兰博基尼品牌联合开发并拥有FC的知识产权，爱彼命名的锻造碳可以由此找到其学术出处，就像医学上的肋膜积水有人也称其为肺积液，但实际上积水并不在肺里。

爱彼千禧碳陀飞轮计时码表

碳纤维的发明可上溯至19世纪后期，1878年英国的斯旺和1879年美国发明家爱迪生分别将棉纤维和竹纤维碳化后制成电灯泡的灯丝，被视为碳纤维技术的起源。1959年美国联合碳化公司研发出低模量粘胶基碳纤维；同年日本的近藤昭南发明了PAN基碳纤维；1963年英国航空材料研究所开发出高模量聚丙烯腈基碳纤维；1965年日本群马大学发明了沥青基碳纤维；1969年日本大谷杉郎研发出高强、高弹模的芳香族聚酰胺基碳纤维；1970年日本吴羽化学公司实现了沥青基碳纤维工业化规模生产；1980年美国金刚砂公司研制出酚醛纤维原丝活性碳纤维投放市场等，标志着碳纤维技术开始进入工业化制造和产业化应用阶段。碳纤维技术及其复合材料早期应用于运动休闲器材上，譬如高尔夫球杆、钓鱼竿等。上个世纪80年代开始应用于航空航天、交通工具等工业产品和现代建筑材料中，譬如波音757、波音767、空客310飞机和现代船艇的零部件。2005年以来开始应用于F1赛车、轻量化汽车零部件和新能源产业，譬如兰博基尼赛车、新能源汽车零部件和风力发电机叶片等。目前碳纤维及其复合材料制造已形成全球范围的产业链，应用领域不断扩大，市场空间可观。

随着我国干喷湿纺千吨/百吨级碳纤维产业化关键技术的突破，国产碳纤维原料已打破国外技术封锁和产品垄断，部分性能指标超过国外同类产品水平。产能、质量的快速提升引发了国内碳纤维及其复合材料价格的大幅度下降，部分产品的价格只是十年前价格的30%甚至10%。我国碳纤维复合材料加工工艺、刀具和装备方面的技术进步，特别是达到国际领先水平的碳纤维复合材料低损伤数字化加工技术的实现，为我国碳纤维复合材料的普及应用奠定了工艺和装备基础。

碳纤维复合材料中的碳纤维增强体大大提高了基体材料的强度、弹性模量、耐磨性和耐腐蚀性，若选择树脂等密度小的基体材料，产品可实现轻量化。这些性能指标都是手表外观件材料所需要且一直追求的，可见碳纤维复合材料在手表上应用具有广阔前景和巨大空间。我国钟表行业在碳纤维复合材料应用上不尽如人意的过往表现，除了受到过去碳纤维复合材料依赖进口价格昂贵、制造技术和工艺装备未能实现突破以及国表品牌与市场接受的匹配程度等客观因素的制约外，钟表业界对新材料、新技术的学习、跟踪以及应用创新的主动性普遍缺乏是造成新材料应用滞后的主观原因。

国家创新能力的持续提升和产业体系的不断完善，为我国钟表行业应用碳纤维复合材料提供了原材料和装备基础，打开了应用技术空间。“好雨知时节，当春乃发生”，期盼使用碳纤维复合材料的国表品牌手表早日横空出世。