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碳纖維復合材料在電子產品上的應用進展

2017-09-20

摘要:本文介紹了碳纖維復合材料在電子產品中的應用,碳纖維復合材料輕、強的特點滿足電子產品小、輕、便攜化的發展趨勢,在筆記本電腦、電視有著很好的應用前景。而其他的特殊性能,可以滿足電子產品一些特殊的應用。

近年來,輕量化技術所制造的復合材料已經在航空航天、軌道交通、船舶車輛、橋梁建筑、電動工具、體育運動器材以及計算機(Computer)、通信(Communication)、消費電子產品(Consumer Electronics)等“3C”電子產品諸多領域受到極大關注。輕量化技術的實現途徑和關鍵技術主要有1)輕質材料的應用;2)結構輕量化設計與優化;3)新型制造工藝技術使用。具備高強度、高模量、低比重、低熱膨脹系數、耐腐蝕等眾多優點的碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)是當前各類高檔軍民裝備輕質材料的典型代表,采用優質碳纖維原料與良好樹脂基體制備的CFRP具有高強度、耐腐蝕、抗震、抗沖擊等良好性能。表1為典型結構材料的性能與減重對比表,從表中可以明顯看出,CFRP的輕量化效果遠高于合金材料,同等強度和模量下,與結構鋼相比,減重可達90%以上。


表1 典型結構材料的性能對比表

材料

密度/g·cm-3
拉伸強度/MPa拉伸模量/GPa比強度/105m比模量/107m
結構鋼7.8510262060.13070.263
鋁合金2.78393720.14130.259
鈦合金4.527121170.15730.258
E玻纖/環氧1.80106238.60.590.214
Kevlar/環氧1.461400760.95890.521
T300/環氧1.6015001810.93751.131
T700/環氧1.6223001811.41981.117


計算機(Computer)、通信(Communication)、消費電子產品(Consumer Electronics)等“3C”電子產品目前朝著便攜化、輕薄化發展。目前電子產品外殼和結構材料最常見的有金屬材料、工程塑料、復合材料料等,其他還有概念性產品如鈦合金、木紋或竹紋、皮革等。但從輕量化的趨勢和成本、工藝的考量,工程塑料、鋁(鎂)合金材料、碳纖維復合材料料等材料的應用越來越廣泛。


一、碳纖維復合材料在筆記本電腦外殼上的應用

筆記本電腦一種小型、可方便攜帶的個人電腦,主要分為商用型和消費型,隨著技術的進步體積越來越小,重量越來越輕,而功能卻越來越強大。筆記本電腦的外殼既是保護機體的最直接的方式,也是影響其散熱效果、“體重”、美觀度的重要因素,目前主要有工程塑料、鋁(鎂)合金材料、碳纖維復合材料料等。

碳纖維復合材料是一種綜合性能非常好的材質,其高強度、高模量、低比重、低熱膨脹系數、耐腐蝕等眾多優點,成為解決解決當前設備輕量化、小型化的問題“夢幻材料”,使其在汽車、電子、家電、通信、儀表以及航空航天等領域的應用日益增多。它既擁有鋁鎂合金高雅堅固的特性,又有ABS工程塑料的高可塑性,它的外觀類似塑料,但是強度和導熱能力優于普通ABS塑料,而且碳纖維是一種導電材質,可以起到類似金屬的屏蔽作用(ABS外殼需要另外鍍一層金屬膜來屏蔽),因此是筆記本材料的理想選擇。


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Dell XPS 11Thinkpad x1

目前碳纖維筆記本電腦每年的數量在600-800萬臺,主要用于商務機等價格較高的機型,價格較高且主要被東麗壟斷,限制了其發展。據Trendforce統計數據,2015年全球筆記本電腦出貨量已達1.644億臺,如果加上其他的IPad之類,估計超過2億臺,再加之其他的3C產品,隨著對超薄化、輕量化的需求,未來對超薄碳纖維復合材料的需求不可估量

二、碳纖維復合材料在其他電子產品中結構性應用

隨著電視功能的不斷發展,人們不再滿足單純的觀看電視節目,而是作為戶外宣傳、集會活動、大型會議等的工具。即使是家庭所用的普通電視,也朝的大屏幕的方向發展。特別是LED電視出現以后,滿足了電視大屏幕、超薄的技術要求。

碳纖維的優異性能以及碳纖維復合材料的可設計性,因此技術人員自然而然的就想到把復合材料應用于電視機中的結構材料上。特別是對于許多大屏幕的電視,例如55吋以上的大屏幕電視,此類電視高端超薄產品及超薄模組的發展,背板厚度減薄和后殼結構形態平板化對對背板材料的剛性(抗變形能力)提出更高的需求。碳纖維復合材料具有強度大、剛性好的優點,利用碳纖維復合材料就非常有優勢。江蘇澳盛復合材料科技有限公司配合國內某知名電視機廠家對碳纖維背板的成型工藝、表面處理工藝、剛性指標進行研究。該電視機方案采用3K外觀紋路、內層使用UD單向預浸料進行疊層設計,發現減重效果明顯,達到50%以上,受力變形測試滿足要求。而且傳統的電視背板材料,如鍍鋅鋼板、鋁塑板、鋼塑板,撤掉外力后,材料的會變形,不能完全恢復原樣。而碳纖維背板無論厚薄與常規材料相比,撤掉外力后,其回彈能力強,受外力的沖擊幾乎不會變形。此外碳纖維背板其獨特的編織紋路外觀更具科技感,具有強度好、重量輕的優點,在追求輕薄的高端產品上具有較好的應用前景。


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戶外可拆卸的大屏幕LED電視

LED模組


對于可移動、可裝卸或便攜式電子產品,因為輕量化要求較高,碳纖維復合材料可以顯示身手,除了上訴領域,例如碳纖維的攝像機、VR的可視眼睛等。但目前碳纖維的價格較高,所以還不能得到非常廣泛的應用,主要用在一些高端領域。

此外如攝像機等需要人們身背、手持,甚至變換不同的角度進行拍攝,如果使用碳纖維復合材料制成其中的部件,將大大減輕重量,提高操控性。


三、碳纖維復合材料在電子產品中其他功能性應用

碳纖維除了具有高強度、高模量,還具有導電、導熱、抗屏蔽,X光透過性及其他等特殊功能性,在電子產品上有一些功能性的應用。

蘋果公司的ipad和minipad等平板電腦系列,因為具有筆記本電腦的部分功能,有非常方面攜帶,收到人們的好評。該系列產品定位滿足人們的娛樂功能,因此聲響對于人們的聽覺感受非常重要。蘋果公司在其ipad中設計使用了用碳纖維復合材料制造的共振片,使其產品具有非常好的影響效果。我們今天用ipad欣賞音樂或視頻,感覺其聲音渾厚,具有立體效果,這其中就有碳纖維的功勞。


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碳纖維具有電磁屏蔽性,在抗干擾電子產品中,可以利用碳纖維復合材料作為殼體,提供有效保護。此外碳纖維還可以制成短纖維和粉末,作為高分子材料的填充,提高材料的導電性和導熱性。

四、展望

碳纖維復合材料在電子產品中的應用,碳纖維復合材料輕、強的特點滿足電子產品小、輕、便攜化的發展趨勢,在筆記本電腦、電視有著非常好的應用。而且,碳纖維復合材料還有導電、導熱、X光透過性強、吸收電磁波等特殊性能,隨著研究的深入,將有更多的應用。但目前受制于碳纖維成本和加工工藝,目前多用于高端產品中。相信隨著碳纖維價格的下降和產品制作水平的提升,碳纖維復合材料在電子產品中的應用將越來越廣泛。


五、澳盛科技開發的產品

型號名稱特征規格
Aosheng-1碳纖改性粒子——

PC20%CF、PA20%CF

PP20%CF、PPS20%CF

PEEK20%CF

Aosheng-P1碳纖片材全碳3K、UD,0.3-1.5mm
Aosheng-P2碳纖片材PP夾芯UD,0.8-1.2mm,密度1.2
Aosheng-P3碳纖片材自主開發低密度超強夾芯UD,0.8-1.2mm,密度1.2











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