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碳纤维复合材料(CFRP)在3C电子产品中的应用

   日期:2023-03-11     来源:复材网    作者:方鲲,刘康    浏览:272    评论:0    
核心提示:近年来,轻量化技术所制造的复合材料已经在航空航天、轨道交通、船舶车辆、桥梁建筑、电动工具、体育运动器材以及计算机、通信、消费电子产品等“3C”电子产品诸多领域受到极大关注。
 引言

近年来,轻量化技术所制造的复合材料已经在航空航天、轨道交通、船舶车辆、桥梁建筑、电动工具、体育运动器材以及计算机、通信、消费电子产品等“3C”电子产品诸多领域受到极大关注。

3C电子产品目前朝着便携化、轻薄化发展。目前电子产品外壳和结构材料最常见的有金属材料、工程塑料、复合材料料等,其他还有概念性产品如钛合金、木纹或竹纹、皮革等。但从轻量化的趋势和成本、工艺的考量,工程塑料、铝(镁)合金材料、碳纤维复合材料等材料的应用越来越广泛。

1. 专业摄像机

帝人所研发的热可塑碳纤维复合材料“Sereebo®(世力堡)”,已被松下电器(以下简称“松下”)的数码4K摄像机HC-X2000和HC-X1500采用,比传统型号小40%,轻15%。

“Sereebo”可大幅缩短成型时间,是适用于电器产品和汽车零部件量产的创新CFRTP。本次松下采用帝人的聚碳酸酯树脂基“Sereebo”复合材料结合注塑成型工艺生产摄像机的手柄和顶盖部件。

摄像机为了平衡机体和内部的重量及强度,通常采用短切碳纤维复合材料,但由于其纤维长度短,因此存在强度不够高的问题。但“Sereebo”采用帝人独创的树脂合成技术,在实现了轻量化和强度的同时,具备优异的阻燃性。此外,通过独创的树脂加工技术,碳纤维不会浮出表面,能够获得良好的表面外观。

 

图 1 松下HC-X2000

尽管相机底盘和机身通常由切碎的碳纤维增强塑料制成,以提高强度并减轻重量,但短纤维无法完全实现长碳纤维的强度和其他独特功能。Sereebo融合了帝人独创的树脂配方技术,可提高强度,减轻重量和阻燃性。此外,它的表面非常光滑,帝人先进的树脂加工技术消除了碳纤维隆起(凸起)。

帝人正在加快其针对Sereebo的大规模生产应用的开发,包括需要强度和重量减轻的精密设备和消费类电子产品。在不久的将来,帝人有望增强其作为复合材料解决方案全球专家的地位。

 

图 2 松下HC-X1500摄像机

2. 笔记本电脑

笔记本电脑一种小型、可方便携带的个人电脑,主要分为商用型和消费型,随着技术的进步体积越来越小,重量越来越轻,而功能却越来越强大。笔记本电脑的外壳既是保护机体的最直接的方式,也是影响其散热效果、“体重”、美观度的重要因素,目前主要有工程塑料、铝(镁)合金材料、碳纤维复合材料料等。

采用碳纤维增强复合材料作为笔记本外壳材质,既拥有铝镁合金高雅坚固的特性,又有ABS工程塑料的高可塑性,它的外观类似塑料,但是强度和导热能力优于塑料,而且碳纤维是一种导电材质,可以起到类似金属的屏蔽作用(塑料外壳则需要另外镀一层金属膜来屏蔽)。

碳纤维的轻量化效果远高于金属材料,与钢材相比,碳纤维的强度其8倍,但重量只有钢材的70%,与铝相比,强度是其20倍,但重量只有铝的40%,碳纤维质轻、强度高、模量高,是轻量化部件的首选材料,因此是笔记本材料的理想选择。

(1)VAIO® Z 全碳纤维机身

VAIO挑战了世界上首次实现碳纤维复合材料(CFRP)的立体成型,并且将其用于笔记本电脑整个机身。VAIO通过自身多年积累的技术和各合作企业东丽技术的集大成,终于实现了不到1kg的轻量化笔记本电脑「VAIO® Z」。

 

图3 全碳纤维笔记本电脑机壳

 

图4 全碳纤维笔记本外壳

世界首创——全碳纤维复合材料机身的立体成型

VAIO® Z 2021拿在手里感觉非常轻,因为其整个机体的重量只有958克,薄至12.2mm,拥有极佳的便携性。而且得益于碳纤维材质本身的特性,无需担心机器受到挤压、碰撞等外力导致的损伤,为商务产品的安全性保驾护航。

虽然VAIO Z 2021非常轻便,但你完全可以用单手轻松掀开屏幕,整个机体在这个过程中不会有任何的翘起,这种阻尼的把控以及细节设计的考究,着实让人赞叹。

 

图5 单手轻松掀开屏幕全

(2)戴尔XPS 12外壳使用碳纤维和铝合金材料

Dell XPS系列采用全碳纤维的板材,外观为3K纹路,体现碳纤维的纹理和质感。XPS 13配备了高档碳纤维材质键盘面和底座和氧化铝顶盖。我们都知道,碳纤维材质在柔韧性方面非常突出,坚固耐磨,甚至比铝镁合金的坚固度也要高出不少,同时与金属材质相比更加轻便。顶盖采用了金属质感的银色,C面则配以类肤质感的黑色,同时以银色金属质感线条做腰线,整体给人以简洁干练的感觉,同时又具备出众的美感。

 

图 6碳纤维复合材料键盘面板和底座

碳纤维复合材料在笔电外壳的应用优势很突出,主要是基于碳纤维复合材料质轻、结构强的特点,可满足小、轻、便携化的发展趋势。随着5G到来,笔记本电脑内部器件散热是关键,而碳纤维复合材料导热性能很强,具有天然的材料优势,随着研究的深入,将有更多的应用。

 

图7 Dell XPS系列

(3)Thinkpad X系列

ThinkPad X1 Nano 2022采用航空级的碳纤维机身(可选编织纹理或纯黑色外壳),在提供媲美金属外壳的高强度之余,可以进一步减轻重量,从而实现了薄至14.4mm轻至970g的极致轻盈身材。

 

图 8 Thinkpad X系列

同时,该本采用碳纤编织纹理与沉浸纯黑配色,搭配醒目的呼吸红点以及表面的类肤质柔感涂层,使整机外观质感更加细腻。

 

图9 Thinkpad X1 Nano 2022

3. 手机外壳

德国厂商Carbon Mobile于2020年发布了全球首款碳纤维外壳手机 Carbon 1 MK II。这款手机采用碳纤维单体外壳制造,人工将碳纤维布放入模具中成型,然后使用 CNC 进行加工。官方表示,手机外壳采用的塑料部件不到5%。

这款手机采用碳纤维单体外壳制造,人工将碳纤维布放入模具中成型,由于是单体外壳设计没有内部框架,因此所有组件均附接到碳纤维上,然后使用 CNC 进行加工塑料仅占手机结构所用材料的5%不到。

 

图10 全球首款碳纤维复合材料外壳手机

4. 电视背板和挂架

随着电视功能的不断发展,人们不再满足单纯的观看电视,而是作为户外宣传、集会活动、大型会议等的工具,即使是家庭所用的普通电视,也朝的大屏幕的方向发展,特别是LED电视出现以后,满足了电视大屏幕、超薄的技术要求。以55吋以上的大屏幕电视为例,超薄的发展对背板厚度减薄和后壳结构形态平板化对对背板材料的刚性有更高的要求,碳纤维复合材料具有强度大、刚性好的优点,用于电视设计就非常有优势。3K外观纹路、内层使用UD单向预浸料进行叠层设计,减重效果可达到50%以上,且传统的电视背板材料,如镀锌钢板、铝塑板、钢塑板等撤掉外力后材料会变形,不能完全恢复原样,而碳纤维背板无论厚薄回弹能力都足够强,受外力的冲击几乎不会变形。碳纤维复合材料强度好、重量轻的优点,使其应用在追求轻薄的电子产品上具有较好的应用前景。

 

图11 碳纤维复合材料电视机背板和挂架

5. 碳纤维复合材料外壳充电宝

世界上最小最轻的10000mAh充电宝——NB10000碳纤维轻跑电源。

NITECORE奈特科尔全新推出轻量移动电源系列,小碳砖率先来袭——NB10000碳纤维轻跑电源。作为世界上最小最轻的10000mAh移动电源,使用碳纤维复合材料,为越野跑专业打造,轻量化全面升级。

奈特科尔NB10000仅重150克,比常规10000mAh移动电源体积小50%。内置10000mAh大容量锂电池,充电宝整备能量密度高达257mWH/g,比普通18650锂电池电芯能量密度高出22%。

NB10000外框采用碳纤维复合材料制造,强抗冲击有效保护电芯。碳纤维复合材料广泛应用于航天、电子等高新行业,如波音飞机。具有重量轻,结实耐用的特点。外表采用冲压成型编织碳纤维板材,重量轻,有效保护电芯,保证电池稳定,使用安全。

10000mAh大容量百公里及百英里级别越野赛全赛程电量支持!为手机、GPS、头灯、耳机等设备提供持久可靠的续航。可为iPhone11充电 3次;可为华为P3O充电2次;可为头灯充电5.5次(奈特科尔牛头灯NU32);可为可充锂电池充电3次(奈特科尔NL1835R电池)。拥有IPX5防护等级,在越野跑中遇上雨雪天气亦能使用。

NB10000拥有USB-A + USB-C双口设计,智能识别,快速输入,任意接口均可输出充电。同时,支持小电流充电,可为蓝牙耳机、手环等小电流设备提供适配电源,充电不伤机。功能按键内藏指示灯,3颗蓝色指示灯可提示充电状态和电池剩余电量。

NB10000精选高品质电芯,放电平稳。在-10℃的极低温和40℃的高温环境下依然能正常使用,多重防护。

黑色质感外壳搭配碳纤黑科技纹理,触感细腻舒适,磨砂边框有效防滑,易于手持携带。

 

图12 碳纤维充电宝

 

图13 碳纤维充电宝

 

图14 碳纤维复合材料充电宝外框

6. 专业摄像机碳纤维滑轨

摄像滑轨对于喜欢摄影的朋友来说,是不可或缺的摄影器材。想要拍照出精致,吸引到人照片就需要这一台设备。

在电影拍摄过程中需要借助摄像滑轨来完成很多特效镜头的拍摄,如镜头的左右平移,旋转拍摄,延时摄影等等。延时摄影这个功能深受摄影爱好者的喜欢,从日初升起到太阳落山这一整天的变化,在短短的几秒内呈现出平时用肉眼无法察觉的奇异精彩景象。无论是在专业的影视拍摄过程中,还是在个人业余的爱好拍摄,摄像滑轨都是深受人们青睐的摄影器材。

 

图15 碳纤维复合材料滑轨

 

图16 碳纤维复合材料滑轨 轻便、坚固

结束语

portant;">碳纤维复合材料在电子产品中的应用,碳纤维复合材料轻、强的特点满足由子产品小、轻、便携发展趋势。而且,瑞纤维复合材制还有导电、导热、光适过性强、吸收电酶波等特殊性能,随着研究的深入,将有更多的应用。但目前受制于碳纤维成本和加工工艺,相信随着碳纤维价格的下降和产品制作水平的提升,碳纤维复合材料在电产品中的应用将越来越广泛。

 
 
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