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碳纖維增強復合材料為何如此受世界各國重視和青睞?
發布時間:2022-06-13
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纖維增強復合材料(FiberReinforced Polymer:FRP)是由增強纖維材料與基體材料經過纏繞、模壓或拉擠等成型工藝而形成的復合材料,而目前潛力巨大、最受關注的一類莫過于碳纖維增強復合材料(CFRP)了。碳纖維材料具備高性能、高壁壘兩個顯著特點,有“黑黃金”之稱,與各種基體經過復合工藝后制成的碳纖維復合材料,可以應用在航空航天、軍事工業、風力發電葉片、汽車構件、體育休閑產品等其他工業和民用領域,是世界范圍內都非常重視的新產業。

 

一、碳纖維增強復合材料的性能優勢

 

相比于傳統的高性能玻璃纖維、玄武巖纖維等,碳纖維具有重量輕/低密度(密度是鋼的1/5、鋁合金的1/2)、高強度、高模量、耐高溫(2000℃以上強度不降)、耐腐蝕(耐海水及各種酸堿鹽等介質腐蝕)、熱膨脹系數?。崩浼睙嵯鲁叽绶€定性高)、導熱/導電性能獨特(可用于電加熱及軍工屏蔽防護)等性能優勢。

 

由于綜合性能極強,高性能碳纖維可用于制造導彈、戰機等國防重器,長期以來一直在美國對華的禁運清單中,與原子能、半導體核心技術等同列,戰略地位極高,其最重要的應用,便是結合基體,制作出相應的復合材料部件,應用于各大中高端關鍵領域。

 

碳纖維增強復合材料的性能優勢主要有以下幾點:

 

1)高強度輕量化。碳纖維復合材料制品最明顯的優勢是輕質量、高強度,可以替代許多金屬材料制品,能夠在保證強度的情況下實現輕量化需求,這一特性使碳纖維復合材料在無人機、箱體、汽車、航空航天等領域有著很好地應用;

 

2)耐腐蝕。碳纖維復合材料屬于非金屬復合材料,其化學活性極低,基本不與酸堿鹽等發生化學反應,這就使其在一些特殊環境中有著很好的市場應用,比如深海油田、高鐵車廂等;

 

3)耐磨損,抗沖擊性能好。碳纖維復合材料生產的產品耐摩擦系數小,這導致其產品具有很高的耐磨損性能,大大的提升了產品的整個的壽命,可用于連接件、傳動軸、輥軸等產品制作。優秀的抗沖擊性能能吸收更多的傷害,從而起到很好的保護作用,這一性能在賽車、頭盔中有著充分體現;

 

4)耐疲勞性能好。碳纖維復合材料在外力的作用下,可以將力均勻地分布到每根絲束上,擁有非常好的耐疲勞性能,使產品蠕變小,適合用于高精密設備,可用于機械臂和空間望遠鏡鏡筒的制作,并且碳纖維復合材料耐高溫,在太空極限的環境中也絲毫不懼;

 

5)X射線透過率大、具有電波屏蔽性。X射線透過率大可使碳纖維復合材料加工成放射醫療床板,使人體成像更清晰,并且減少放射劑量對人體的傷害。電磁屏蔽能夠保證裝備的隱蔽性,這一點在軍工產品中體驗地淋漓盡致,比如隱形飛機、軍用運輸箱、方艙等。

 

二、碳纖維增強復合材料的幾種重點應用

 

從全球需求來看,碳纖維下游相對分散,風電葉片(主梁、梁帽)、航空航天(飛機構件)、體育休閑(球拍/釣具等)、壓力容器(氫氣瓶)為主要應用領域。

 

在這些應用中,體育需求占據著我國下游應用的30%,需求量保持穩步增長;航空航天雖然用量不高,但單價遠超出其他領域,未來隨著軍工開支有望穩步增長;近年來碳纖維因其良好的性能廣泛應用于風電葉片、光伏硅晶熱場材料(碳碳復材)、纏繞復合材料儲氫氣瓶等,顯著受益于新能源行業增長。

 

1.風電新能源:風電機葉片

 

風電機葉片是一個復合材料制成的薄殼結構,一般由葉片大梁、腹板、外蒙皮組成,復合材料在整個風電葉片中的重量一般占到90%以上?,F階段玻纖增強復合材料仍為葉片制造主流選項。

 

碳纖維主要用作風電葉片的主梁或分段葉片連接區域,承擔主要荷載作為結構材料;其次是用在塔架前緣,通過加熱除冰,作為功能材料,但用量少。事實上當葉片超過一定尺寸后,碳纖維葉片反而比玻纖葉片便宜,因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降。

 

風機大容量、大葉片已成為趨勢,隨著我國風電建設進程的快速推進,風電也一躍成長為當前碳纖維下游領域應用規模中最大的部分,碳纖維復合材料比玻璃纖維復合材料具有更低的密度,更高的強度,其突破了玻璃纖維復合材料的性能極限,而且可以保證風電葉片在增加長度的同時,重量大大降低。在當前風機持續大型化的趨勢下,碳纖維滲透率將持續提升。

 

2.光伏新能源:光伏熱場材料

 

碳/碳復合材料指以碳纖維為增強體,以碳或碳化硅等為基體,通過加工處理和碳化處理制成的全碳質復合材料,憑借質量輕、耐燒灼、抗熱沖擊、高溫強度高、損傷容限高、可設計性強等優良性能逐步成為主流熱場材料。

 

以往主流的等靜壓石墨作為由石墨顆粒壓制成型的脆性材料,已經在安全性方面不能適應大熱場的使用要求,在經濟性方面也已經落后于碳基復合材料。隨著國內先進碳基復合材料制備技術的發展,先進碳基復合材料成為降低硅晶體制備成本、提高硅晶體質量的最優選擇,正逐步形成在晶硅制造熱場系統中對石墨材料部件的升級換代,主要應用于單晶拉制爐和多晶鑄錠爐的熱場材料。目前碳/碳復合材料在熱場應用領域具有較高的滲透率,且不斷向大直徑、高強度、長壽命發展,以滿足單晶硅的發展需要。

 

3.燃料電池汽車領域:高壓儲氫瓶

 

高壓儲氫是目前車用儲氫的主流方式,氫氣作為新型清潔能源已經應用于燃料電池汽車,其儲氫系統是汽車的重要的組成部分。其中高壓儲氫是應用最廣泛的方式,該方式為利用氣瓶作為容器,通過高壓壓縮儲存氣態氫,具有成本低、能耗小、充放氣速度快等優勢,也是當前車用儲氫的主流方式。

 

目前共有4種主流高壓氣態儲氫方案,其中I、II型儲氫瓶重量大、成本低,多用于儲氫站等固定式應用場景;III、IV型儲氫瓶采用碳纖維全纏繞的方式加強罐體,具備輕量化的同時保持良好的力學性能,實現了高壓氣態儲氫由固定式應用向車載儲氫應用的轉變。燃料電池汽車是國家重點發展方向,作為必不可少的儲氫部件,碳纖維高壓儲氫瓶市場遠景可期。

 

4.體育、汽車、航天等領域輕量化

 

日常體育用品比如魚竿、高爾夫球桿、網球拍等產品的碳纖維化一直是穩定的市場,隨著健康生活、綠色出行等理念的流行,體育休閑領域的碳纖維需求有望穩定增長。

 

隨著復合材料技術的不斷進步,如今碳纖維復合材料在汽車車身、尾翼、汽車底盤、發動機罩、汽車內飾等各個地方。例如寶馬i3大批量應用碳纖維復合材料,減重約250-350公斤;寶馬7系轎車碳纖維復合材料僅占7系轎車車體結構的3%,但貢獻了40kg的減重。

 

而在航空航天領域,碳纖維的需求僅次于風電葉片,用于中央翼盒、整機身段等主承力結構件,可占飛機整機重量的30%左右,部分機型達50%以上。以戰斗機為例,自20世紀70年代至今,復合材料的應用范圍已從最初的尾翼拓展到機翼、前機身、中機身、整流罩等多個部位。

 

三、總結

 

總而言之,碳纖維增強復合材料無論是在國家重工產業,還是工業發展以及與我們息息相關的日常生活里,均發揮著相當舉足輕重的作用。目前我國碳纖維增強樹脂基復合材料產業正處于從發展壯大向產業成熟期過渡,邁向產業中高端的關鍵時期。在巨大的市場需求牽引下,碳纖維增強樹脂基復合材料產業的發展將有廣闊發展空間,但同時也面臨嚴峻的國際競爭、環境保護等方面的壓力,挑戰和機遇共存。(來源:網絡)

 

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