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    碳纖維復合材料的實際應用

    2020-10-24 18:30:00

    碳纖維是一種高性能的纖維材料,結構取決于原絲結構和碳化工藝,具有高比強度、高比模量、耐高溫、抗化學腐蝕、耐輻射、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹系數小等一系列優異性能,同時,碳纖維復合材料具有高比強度、高比模量、高比吸能(有效破壞長度內單位質量吸收的能量)等優異的綜合力學性能,其質輕的特點,使其成為一種不可或缺的替代材料。在碳纖維復合材料應用領域中,對復合材料未來前景進行有效的展望是極其關鍵的。將碳纖維復合材料應用于汽車工業中,可以發現碳纖維復合材料的巨大應用價值;將碳纖維復合材料應用于航天航空之中,可以提高航天設備的質量;將碳纖維復合材料應用到高速動車組當中,還可以增強安全系數和質量保證,為我國的機械和材料事業的發展打下堅實的基礎[1]


    碳纖維復合材料

    1碳纖維復合材料在航天航空領域的應用

    高性能碳纖維復合材料具有高比模量,高比強度,耐高溫,耐腐蝕,耐磨擦以及吸收波的性能優異,隔音,隔熱,易成形易加工等特性,因此與航空領域契合程度極高,滿足航空領域對材料的較高要求,所以在航空領域中制造的航空發動機,衛星和航空飛行器,導彈導流罩,運載火箭導流罩,精密支撐結構件等領域中,碳纖維復合材料得到了廣泛的應用。除此之外在航空領域中的光學鏡體也應用了碳纖維復合材料。

    據統計,民航客機例如:空客A380,波音787以及中國的C919應用高性能碳纖維的質量所占比例已經達到了20%~30%。高性能碳纖維因具有質量輕,高比強度,高比剛度等特性,在機身輕量化研究中占有的優勢地位[2] 。

    航空航天領域所應用的主要碳纖維及其性能:

    ①聚丙烯腈基碳纖維的拉伸強度(>3000MPa),密度(1.76~1.94g/cm3),拉伸彈性模量(>207GPa);

    ②瀝青基碳纖維的拉伸強度(1600MPa),密度(1.7g/cm3),拉伸彈性模量(379GPa);

    ③粘膠基碳纖維的拉伸強度(2100~2800MPa),密度(2g/cm3),拉伸彈性模量(441~552GPa)。

    我國對于碳纖維復合材料的運用在航天領域發展得比較快,我國的航天器,比如火箭、衛星等使用周期短,碳纖維復合材料結構比重比較大,約占到20%,與國外的探究和運用水平達到了齊平的地步。我國對于碳纖維復合材料在航空航天領域的研究機構,主要以研究高校為主,比如,北航、南航、哈工大等,主要負責碳纖維復合材料研究應用的工作。產業化方面做得比較好的是中航復材。隨著進一步發展,國家戰略需求對這方面材料的不斷增大,相關的民營企業也加入到碳纖維復合材料的探究和生產當中,其中有江蘇桓神、四川新萬興等企業的加入,形成了激烈的市場競爭,相信碳纖維復合材料的研究和利用能夠得到更好的發展 。

    2碳纖維復合材料在汽車領域的應用

    隨著汽車的發展,車身尺寸不斷增大、安全系數不斷提高、配置越來越豐富、結構越來越復雜,又要保持合理的車重,選擇合適的材料至關重要??梢哉f,輕量化材料的選擇,真正體現了汽車品牌之間的研發核心技術差距。碳纖維復合材料的應用主要是為了能滿足汽車剛性性能需求,又實現了汽車的輕量化。碳纖維不但能達到節能減排的全球性需求,也能解決消費者所關心的節能省油問題,因此碳纖維復合材料可以作為汽車的未來主流材料。

    碳纖維增強復合材料是很理想的汽車覆蓋件用非金屬材料。它的高強度可以在保證汽車的防撞性能的同時,大大減輕車身質量。經過NIO全球測試證明,碳纖維后地板的使用讓車身整體的扭轉剛度更高,被動安全性能提高,整體耐久性也得到很大提升。遵循“合適的材料用到合適位置”的設計選擇,碳纖維后地板嵌入到全鋁車身中,比鋁合金減重30%以上,與相同體積的高強度鋼相比,質量僅是它的1/5 [3] 。

    碳纖維復合材料“剛柔并濟”,兼具碳材料和纖維的雙重優良特性,具有耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦的特性,其高集成度性使得在零部件制造過程中可以減少零部件數量;由于可設計和造型自由的特性,可降低流線型曲面配件的制造成本;高效率的抗震、吸收沖擊性能,可達到金屬的5倍,因此可提高汽車發生交通碰撞事故車上人員安全性;在各項力學性能方面,與輕質金屬合金材料相比(如高強度鋼、鋁合金、鈦合金和鎂合金),普通的碳纖維復合材料也遠遠優于它們。但是阻礙高端碳纖維復合材料發展的障礙是,目前其由于技術含量高、生產工藝極其復雜等原因,造成使用成本也水漲船高[4] 。

    3碳纖維復合材料在體育休閑領域的應用

    1972年,日本公司Olympic在展覽會上,展示了用東麗碳纖維制造的魚竿“Seiki”;同一年的太平洋高爾夫大師賽,Gay Brewers使用碳纖維球桿贏得冠軍,這激發了市場購買與使用“高爾夫黑桿身(black shaft golf clubs)”的熱情。世界碳纖維的發展初期,就與體育器材結下了不解之緣 [5] 。

    碳纖維復合材料

    3.1

    碳纖維高爾夫球桿

    高爾夫球桿要求球桿具有較高的沖擊韌性,而環氧樹脂基碳纖維滿足這一優良性能。例如日本JNP研發的聚乙烯甲醛改良的環氧樹脂基碳纖維已經成功應用于高爾夫球桿。

    3.2

    碳纖維競賽自行車

    碳纖維材料的自行車一般常用于競賽中,碳纖維材料主要應用于自行車的骨架,前叉,輪組(碳刀車圈)等。由于自行車大部分使用碳纖維材料,所以其直接決定了自行車的整體性能。因碳纖維具有高比模量,高比強度等優良特征,所以使碳纖維自行車具有質量輕,強度高(屈服強度和抗拉強度)的優良性能。其次碳纖維的自行車具有很好的沖擊韌性,吸收性能好,以此達到避震,減震的效果。Z后碳纖維易成形,可被加工成各式各樣的造型。

    3.3

    碳纖維網球拍

    碳纖維材料的網球拍已經在各大比賽中常見的材料,因其質量輕,強度高,可機動性能優異,耐久性好而倍受網球運動員喜愛 [2] 。

    4風能發電與葉片材料

    中國的風能總儲量估計為1.6×109千瓦,列世界第三位,有廣闊的開發前景。到“十一五”期末,全國風能總裝機容量將達到5GW,實際容量達到10GW~12GW,目標到2020年全國將達到20GW的風電裝機容量。以千瓦造價8000人民幣計算,我國未來十五年將有2400億的風能市場;風電產業在我國進入新的大發展時期。葉片是風力發電機的核心部件,造價約占整個設備的1/4到1/3。每個葉片大約需要碳纖維1500~2000公斤,我國2020年3000萬千瓦的風電規劃的實現,需要大量的風機葉片,是碳纖維行業一個潛在的巨大市場 [6] 。

    國際主要采用碳纖維制造風電葉片的企業是:VESTAS、GEMESASIEMENS、Nordex、Senvion、GE集團(去年并購了LM)。重要的碳纖維葉片制造商還有TPI(主要為VESTAS與Senvion提供葉片)和巴西的Tecsis(主要為GE提供葉片)。去年,TPI宣布:利用SENVION的RodPack(拉擠棒)技術為其生產葉片。我國主要的葉片制造商:洛陽雙瑞科技、中材科技、重通葉片、明陽風電、中復連眾、時代新材等均在積極推進碳纖維應用 [5] 。

    小結

    目前碳纖維復合材料的應用已從航天航空逐步拓展到人類社會的各個領域。適應市場需求,實施自主創新,對標式技術與產品研發向自主品牌創新過渡,圍繞具有發展前景的大市場研發專用碳纖維技術,充分改良碳纖維的不足,提升碳纖維材料的性價比,提高復合材料的綜合性能等,是國產碳纖維技術發展未來需要重點關注的問題[7]。

    碳纖維復合材料

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