碳纤维:新材料之王
撰写时间:2017-05-16 11:13:56来源:《紫光阁》杂志社

  碳纤维是由聚丙烯腈等有机母体纤维采用高温分解法在1,000摄氏度以上高温的惰性气体下碳化制成的,是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维。

  碳纤维最早是由英国人斯旺为制作灯泡而提出的发明设想,后来爱迪生利用焦油、棉纱和竹丝成功试制出能够持续照明45小时的碳丝,而现在人们所说的碳纤维则是在上世纪60年代初由日本人近藤昭南所发明的能够工程化批量生产的高强型碳纤维。

  碳纤维的应用范围很广,由于其拥有优异力学性能、可设计性和可加工性能,碳纤维在各领域中逐渐受到人们的重视,国防军工和民用工业的使用量都在逐年增加。

  航空航天方面:随着世界航空航天技术的不断发展,各种飞机和航天器都在不断升级,追求的是更轻、更快、更强。碳纤维因其轻量化和优异的力学性能被作为首选替代材料,使用量所占比重正在逐步提高。有数据显示,民用航空中波音787所用复合材料重量占结构总重量的50%,美军的F - 2 2战斗机和B 2轰炸机的复合材料用量均超过35%,除此之外还能够赋予战机隐身特性。近年来,随着国产碳纤维的快速发展,我国已有10多个型号的战机完全实现了国产碳纤维材料替代进口。另外在“天宫” “神州”“长征”等型号的航天飞行器上也采用了国产高性能碳纤维。

  无人机方面:无人机自诞生以来,减轻质量即成为世界各国无人机科技工作者们共同关注的研究热点之一,只有将机体结构质量降下来,才能节约出更多的质量空间来增加燃油和有效载荷,延长飞行距离和续航时间。军用方面,世界各国都在大力发展碳纤维材料机体,目前碳纤维复合材料用量占结构总质量已达到60%—80%,有的小型侦察无人机甚至采用全碳纤维结构;在民用方面,无人机追求的更多是小巧并搭载更多的仪器设备。

  舰船岸基方面:碳纤维复合材料具有优异的耐腐蚀性,能够耐受自然界中的水和多种介质的腐蚀。目前世界各军事强国都在加快以碳纤维复合材料为主体的舰艇建造,碳纤维替代金属材料已经成为发展趋势。我国在东海和南海的岛礁上建有很多的海防哨所,基础设施的防腐问题非常严峻。目前国内已有公司开发出碳纤维肋筋来代替钢筋作为岛礁建筑混凝土中的支撑材料。

  风电叶片方面:单机发电功率的提升关键在于叶片长度的增加,叶片长度的增加会增加低风速时的捕风能力。目前世界上长度超过60m的风电叶片几乎都会选择用碳纤维复合材料制作主承力梁,以保证叶片在发电运转时不会发生断裂,这就是因为碳纤维具有极高的“钢性”(抗压模量)。

  汽车轻量化方面:目前已成功开发出包括车身、底盘、车顶在内的30余种碳纤维复合材料零部件。碳纤维材料汽车较普通钢材汽车重量可减少60%,据资料介绍,汽车自重减轻100公斤,行驶1 0 0公里可节约燃油0 . 3公斤,自重减少10%,燃油经济性可提高1 0 % 。当碳纤维复合材料减轻车身重量达50%时,续驶里程可增加75%以上。

  轨道交通方面:列车高速运行时,动力学前端所受阻力很大,约占列车运行总阻力的50%。以列车常用电气接线箱为例,不锈钢重量为37Kg,铝为17Kg,碳纤维复合材料为1 2 . 5 K g 。碳纤维对高速列车的减重是非常明显的,而高速列车的减重也意味着节约能耗和提升运行速度的可能。

  体育休闲方面:世界范围内体育用品方面占碳纤维使用总量的25%左右,其中以碳纤维高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍、自行车的使用量最大。

  (供稿单位:山东威海拓展纤维有限公司)

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