碳纖維各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛
碳纖維是發(fā)展國(guó)防軍工與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資,廣泛應(yīng)用于風(fēng)電葉片、航空航天、體育用品、汽車(chē)工業(yè)、混配模成型、壓力容器、建筑補(bǔ)強(qiáng)、電子電器等領(lǐng)域。2017年,風(fēng)電葉片依然是碳纖維第一大應(yīng)用領(lǐng)域,其消費(fèi)占碳纖維總需求量的23.5%;航空航天是除風(fēng)電葉片外的碳纖維第二大應(yīng)用領(lǐng)域,其消費(fèi)量占碳纖維總量的22.8%;體育休閑、汽車(chē)工業(yè)、混配模成型、壓力容器、建筑補(bǔ)強(qiáng)的消費(fèi)量分別占碳纖維總需求量的15.7%、11.6%、8.2%、6.7%、3.8%。
風(fēng)電葉片需求持續(xù)回暖
隨著地底礦業(yè)能源的不斷減少和大氣污染情況的日益嚴(yán)重,清潔可持續(xù)能源的發(fā)展利用逐漸被國(guó)家重視其中對(duì)環(huán)境影響很小的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目備受矚目。風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)機(jī)葉片是非常關(guān)鍵的一個(gè)部件,大型風(fēng)電設(shè)備對(duì)于葉片的強(qiáng)度、重量、結(jié)構(gòu)等有著嚴(yán)格的要求,傳統(tǒng)材料很難滿(mǎn)足要求,碳纖維這種性能優(yōu)秀的材料進(jìn)入行業(yè)視線。碳纖維要比玻璃纖維剛度大三倍,制作出來(lái)的碳纖維制品要比玻璃鋼性能優(yōu)秀很多。另外在其重量?jī)?yōu)勢(shì)也非常明顯,更輕的風(fēng)葉能夠降低風(fēng)力發(fā)電的成本,提升葉片的質(zhì)量和整套發(fā)電設(shè)備的總體性能。
全球風(fēng)電葉片對(duì)碳纖維的需求在2013年急劇下滑,主要原因是2013年國(guó)際新增裝機(jī)容量的下降。2014年以來(lái),全球風(fēng)電葉片對(duì)碳纖維的需求持續(xù)回暖,2015年恢復(fù)了強(qiáng)勁增長(zhǎng),2017年對(duì)碳纖維的需求量達(dá)1.98萬(wàn)噸,同比增長(zhǎng)10.0%。
航空航天應(yīng)用前景廣闊
碳纖維成為航空多部件的主要材料,廣泛應(yīng)用于機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪等部位。在航天領(lǐng)域上,碳纖維材料的應(yīng)用更加廣泛,在導(dǎo)彈、火箭等發(fā)射筒以及發(fā)動(dòng)機(jī)、防熱層中都出現(xiàn)碳纖維的身影。大大降低了航天器的質(zhì)量,提升了航天器的運(yùn)輸能力。2011年以來(lái),全球航空航天領(lǐng)域?qū)τ谔祭w維的需求量不斷增長(zhǎng);2017年,全球航空航天碳纖維需求量為1.92萬(wàn)噸,同比增長(zhǎng)9.1%;預(yù)計(jì)到2023年,全球航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量有望超過(guò)3萬(wàn)噸,航空航天碳纖維應(yīng)用前景廣闊。
體育休閑需求實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)
目前,體育領(lǐng)域是全球碳纖維的第三大消費(fèi)領(lǐng)域,近年來(lái)全球體育領(lǐng)域每年消耗碳纖維都超過(guò)7千噸,自2014年到2017年之間,體育領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求平均每年保持24.6%的增長(zhǎng)速度。碳纖維在體育休閑領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于高爾夫球桿、釣魚(yú)竿竿、自行車(chē)、球拍、滑雪桿等體育用品。相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料用品,碳纖維材料可減重最高達(dá)50%以上。
汽車(chē)領(lǐng)域消費(fèi)不斷增加
汽車(chē)領(lǐng)域隨著人們對(duì)汽車(chē)要求的越來(lái)越高,汽車(chē)的輕量化與安全化、發(fā)動(dòng)機(jī)效率的高效化已經(jīng)成為當(dāng)代汽車(chē)消費(fèi)的主要參考因素之一,碳纖維材料則成為了理想的結(jié)構(gòu)材料。目前碳纖維廣泛應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的推桿、連桿、傳動(dòng)軸等多部件中,另外在汽車(chē)加速器、底盤(pán)懸置件、車(chē)門(mén)等多部件也有很大應(yīng)用。2017年全年,全球汽車(chē)行業(yè)對(duì)碳纖維材料的需求達(dá)到0.98萬(wàn)噸。
以上數(shù)據(jù)及分析均來(lái)自于前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2018-2023年中國(guó)碳纖維行業(yè)深度調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》。
]]>碳纖維不僅可以提高動(dòng)力重量比和加強(qiáng)碰撞保護(hù),還可以讓Polestar 1的底盤(pán)達(dá)到高性能汽車(chē)該有的堅(jiān)固度。該車(chē)引擎蓋、后備箱、側(cè)擋板、門(mén)和整個(gè)車(chē)頂結(jié)構(gòu)都將采用碳纖維嵌板,Polestar還進(jìn)一步推出了“蜻蜓”結(jié)構(gòu),與四年前蘭博基尼Huracán結(jié)構(gòu)類(lèi)似。Polestar表示,蜻蜓形部件從根本上改善了車(chē)體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)(即底板中間和前后架構(gòu)之間)的抗扭剛度。眾所周知,車(chē)后部更堅(jiān)固,操作更好。
總而言之,碳纖維可以減輕Polestar 1汽車(chē)500磅以上的重量。與鋼材相比,碳纖維在車(chē)頂設(shè)計(jì)上更具優(yōu)勢(shì)。得益于碳結(jié)構(gòu)更薄更堅(jiān)固的物理特性,Polestar可以利用玻璃面板延長(zhǎng)車(chē)頂長(zhǎng)度和寬度,從而獲得更低的車(chē)頂弧線,并且車(chē)內(nèi)的部件不再突出,這意味著乘客可以看到更廣闊的湛藍(lán)天空。
Polestar首席執(zhí)行官兼沃爾沃前設(shè)計(jì)主管Thomas Ingenlath說(shuō):“Polestar 1開(kāi)起來(lái)跟看起來(lái)一樣好,請(qǐng)注意,它加上好的配置絕對(duì)值155,000美元?!?/p>
來(lái)源:余秋云 蓋世汽車(chē)
]]>碳纖維布加固法能夠受到廣泛地認(rèn)同,與其優(yōu)異的性能離不開(kāi)關(guān)聯(lián)。從力學(xué)性能上看,碳纖維布的抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到普通鋼筋的8-10倍,而重量卻遠(yuǎn)低于鋼筋,加固時(shí)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)自重的增加基本可以忽略。同時(shí)碳纖維布的抗腐蝕性、耐久性要遠(yuǎn)優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu),能夠有效提高結(jié)構(gòu)耐腐蝕性與耐久性,避免出現(xiàn)傳統(tǒng)方法修復(fù)后,混凝土腐蝕、耐久性降低再次出現(xiàn)的情況。
在施工方面,碳纖維布加固同樣存在較大的優(yōu)勢(shì)。碳纖維布質(zhì)軟,能適用于不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型與形狀,加固后可以最大限度的保證構(gòu)件的原有外觀不變。碳纖維布施工無(wú)需濕作業(yè)與大型施工機(jī)械,可在不影響工廠正常生產(chǎn)的情況下施工,避免長(zhǎng)期停工引起經(jīng)濟(jì)損失。與傳統(tǒng)工藝相比碳纖維布加固法操作簡(jiǎn)單,施工效率高工期短,且質(zhì)量容易保證,已成為較成熟的施工工藝。
碳纖維布加固法能夠針對(duì)不同構(gòu)件,起到不同的加固作用。首先,碳纖維布較高的抗拉強(qiáng)度可由于受彎構(gòu)件的加固中,例如梁、板,通過(guò)將碳纖維布粘貼至底部受拉區(qū),可有效代替或補(bǔ)充鋼筋的受拉性能,提高受彎構(gòu)件的承載力。另外在樓板開(kāi)洞中,若洞口對(duì)板受力影響小時(shí),還可在洞口周邊粘貼碳纖維布作為后加補(bǔ)償筋進(jìn)行加固。
另一方面,碳纖維布也可起到類(lèi)似箍筋的作用,對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行抗剪加固??辜艏庸炭梢酝ㄟ^(guò)粘貼碳纖維布U型箍對(duì)梁加固,也可通過(guò)粘貼與軸線方向垂直的碳纖維布環(huán)形箍對(duì)柱加固。在抗剪加固中需要注意不同構(gòu)件的構(gòu)造措施須滿(mǎn)足要求,同時(shí)梁與方型柱的棱角必須打磨成圓弧狀,防止出現(xiàn)應(yīng)力集中影響碳纖維布受力性能。
碳纖維布還可通過(guò)環(huán)向圍束或沿軸線粘貼至受拉邊緣的方式分別對(duì)軸心受壓與大偏心受壓構(gòu)件起到加固效果,當(dāng)鋼筋混凝土延性不足需要抗震加固時(shí),也可采用碳纖維布環(huán)向圍束的方式加固。而對(duì)小偏心受壓構(gòu)件以及墻體來(lái)說(shuō),碳纖維布僅能承受拉應(yīng)力而無(wú)法承受壓力,因此對(duì)二者的抗壓加固是起不到作用的。
需要注意的是,碳纖維布加固,是通過(guò)浸漬膠的粘接作用令碳纖維布與混凝土基材形成整體共同受力,以起到加固效果。也就是說(shuō),浸漬膠對(duì)最終加固效果有直觀的影響。不同種類(lèi)的浸漬膠可能會(huì)影響到加固系統(tǒng)的使用年限,以及復(fù)雜環(huán)境下加固系統(tǒng)的耐久性。因此,涉及結(jié)構(gòu)安全的加固中,碳纖維布與配套浸漬膠的選擇應(yīng)當(dāng)慎重。
]]>但是隨著強(qiáng)度更高、重量更輕的碳纖維材料被發(fā)明出來(lái),鋁合金的地位明顯降低,尤其是在超跑領(lǐng)域,碳纖維大有取代鋁合金之勢(shì)。
全新奧迪R8便是很好的例子,之前老款?yuàn)W迪R8引以為傲的便是車(chē)架應(yīng)用大量鋁合金材料,如今全新奧迪R8已經(jīng)將車(chē)架中大量應(yīng)用碳纖維材料作為宣傳亮點(diǎn)。
除了在車(chē)架這些我們看不到的地方應(yīng)用碳纖維外,車(chē)身外飾件、內(nèi)飾件也越來(lái)越多的使用碳纖維材質(zhì)。在一些超級(jí)跑車(chē)上,輪圈甚至都是由碳纖維打造而來(lái)。鋁合金材質(zhì)的地位正逐步被取代。
]]>汽車(chē)車(chē)身的輕量化主要從車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇與替代兩個(gè)方面著手。在材料輕量化方面,目前仍以高強(qiáng)度鋼、鎂、鋁和塑料作為主要汽車(chē)材料組合,其中尤其以碳纖維最為出色,其優(yōu)越性幾乎可以完全替代鋼材料。其中以樹(shù)脂和金屬為基體的復(fù)合材料在車(chē)身上的應(yīng)用較為成熟,具有應(yīng)用于車(chē)身制造的諸多優(yōu)勢(shì)。
目前汽車(chē)車(chē)身重量的3/4是鋼材,輕量化空間很大。研究表明,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車(chē)身質(zhì)量?jī)H172kg,而鋼制車(chē)身為367.9kg,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕量化效果達(dá)53%以上。
由于純電動(dòng)汽車(chē)受安裝的動(dòng)力電池的容量限制,其一次充電后的續(xù)駛里程過(guò)短,成為影響純電動(dòng)汽車(chē)推廣使用的一個(gè)重要因素。如果用碳纖維復(fù)合材料來(lái)制造車(chē)身,將車(chē)身減輕的質(zhì)量用于增加電池?cái)?shù)量,在保持整車(chē)質(zhì)量不變的情況下,可以大大提高續(xù)駛里程。
應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可以極大地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)輕量化來(lái)平衡電池組的重量,增加純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。當(dāng)然,蓄電池組的安裝需要合適的空間,在不減小乘用空間的基礎(chǔ)上,合理控制碳纖維復(fù)合材料輕量化程度,可增加蓄電池組容量,既保證一定的續(xù)駛里程,同時(shí)也避免過(guò)分CFRP化帶來(lái)的的高成本問(wèn)題。
制約碳纖維復(fù)合材料大范圍應(yīng)用的主要因素包括性?xún)r(jià)比、供應(yīng)商的結(jié)構(gòu)和能力、汽車(chē)發(fā)展和產(chǎn)品環(huán)境等影響。同時(shí)它的生產(chǎn)和加工技術(shù)還不夠成熟,應(yīng)用和研發(fā)成本較高,相關(guān)部門(mén)缺乏一定的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃等。
電動(dòng)汽車(chē),尤其是純電動(dòng)汽車(chē),對(duì)整車(chē)輕量化的迫切性比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)更強(qiáng)烈。整車(chē)輕量化可以車(chē)身輕量化為突破口。迄今為止的研究表明,碳纖維復(fù)合材料是最理想的車(chē)身輕量化材料。將碳纖維車(chē)身用在純電動(dòng)汽車(chē)上,可以在一定程度上抵消目前動(dòng)力蓄電池比能量不夠的問(wèn)題。
]]>在包括汽車(chē)在內(nèi)的其他行業(yè),近幾年對(duì)碳纖維需求量增長(zhǎng)非常迅速,預(yù)計(jì)2020年將增長(zhǎng)至每年14萬(wàn)噸。碳纖維在機(jī)動(dòng)車(chē)行業(yè)使用壽命為15年,在航空領(lǐng)域是20到25年,并且目前的飛機(jī)機(jī)身碳纖維占比為40%,所以在未來(lái)10年到20年,市場(chǎng)上會(huì)有大量的碳纖維材料需要去回收,中國(guó)2017年4月份出臺(tái)了《循環(huán)發(fā)展引領(lǐng)行動(dòng)》,10月份推出《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南》,里面都提到碳纖維復(fù)合材料的回收再利用。
如今除了寶馬I3碳纖維復(fù)合材料占比達(dá)50%,大部分燃油車(chē)依然是使用鋼材或者合金車(chē)身,新能源車(chē)之前多采用全鋁車(chē)身和碳纖維車(chē)身,隨著動(dòng)力的增強(qiáng),為了削減成本也開(kāi)始使用鋼鐵以及合金,比如特斯拉Model S采用全鋁車(chē)身,現(xiàn)在新款Model 3換成了鋼、鋁混合車(chē)身,寶馬I3將換成鋼、鋁、碳混合車(chē)身,國(guó)產(chǎn)新能源汽車(chē)更多是小型車(chē),多采用低成本全鋁合金框架,整體汽車(chē)行業(yè)碳纖維使用率較低,難以實(shí)現(xiàn)極致的輕量化,碳纖維的回收勢(shì)在必行。
首先熱固性的聚合物不能直接加熱重新塑型,并且而且回收材料往往摻雜污染物,如金屬以及塑料的碎屑,如果想要讓目前的回收技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn),就必須要解決成本問(wèn)題,在2018車(chē)用材料(西青)國(guó)際論壇中來(lái)自諾丁漢大學(xué)的孟凡然教授帶來(lái)了他們的實(shí)驗(yàn)成果。
目前的碳纖維回收工藝主要分為三種,機(jī)械法、化學(xué)法以及熱解法,機(jī)械回收方法并不適用于汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料的回收,且化學(xué)法回收仍然局限于實(shí)驗(yàn)室階段,距離工業(yè)化生產(chǎn)還有較大差距,因此目前熱解法是目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料回收技術(shù)。
目前的碳纖維回收工藝主要分為三種,機(jī)械法、化學(xué)法以及熱解法,機(jī)械回收方法并不適用于汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料的回收,且化學(xué)法回收仍然局限于實(shí)驗(yàn)室階段,距離工業(yè)化生產(chǎn)還有較大差距,因此目前熱解法是目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料回收技術(shù)。
實(shí)驗(yàn)所采用的是熱解法中流化床的回收工藝,首先將廢料裝填進(jìn)流化床,流化床經(jīng)過(guò)500度以上的高溫,回收的聚合物通過(guò)氧化清除之后,剩下的就是碳纖維。碳纖維再經(jīng)過(guò)回收流程予以收集,剩下的廢氣可以進(jìn)行循環(huán),整個(gè)流程可以回收廢物當(dāng)中的碳纖維,有效的分離污染物和碳纖維,包括其中的雜質(zhì)。并且利用廢氣的循環(huán)降低整個(gè)流程的耗能,實(shí)現(xiàn)了能量回流,擁有良好的市場(chǎng)前景。
不過(guò)回收的碳纖維和傳統(tǒng)材料是不一樣的,不能直接用于最終產(chǎn)品的制造,要用回收的碳纖維去進(jìn)行中間的處理,包括纖維的分布、懸浮、熱干燥等過(guò)程,最后還需要將得到的碳纖維進(jìn)行排列,利用旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)箍可以對(duì)纖維的方向進(jìn)行校正和統(tǒng)一,最后得到經(jīng)過(guò)調(diào)整和排列的碳纖維材料,用來(lái)生成高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料。
從回收料分解到后面復(fù)合物生產(chǎn)以及機(jī)動(dòng)車(chē)零部件生產(chǎn),很多的變量都影響著回收的成本,包括輸送廢料的速度以及廢料的品質(zhì),送料較快時(shí)能量消耗明顯減少。
同時(shí),如果從全生命周期來(lái)看,再生碳纖生產(chǎn)的整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性為20%到60%不等,回收的復(fù)合物可以降低溫室氣體排放,在進(jìn)行排列之后能夠帶來(lái)更高的強(qiáng)度,再生碳纖維的性能相較傳統(tǒng)材料,依然有明顯的優(yōu)勢(shì)。
來(lái)源:第一電動(dòng)網(wǎng)? 作者: 王寧
]]>據(jù)報(bào)道在汽車(chē)工業(yè)中使用的碳纖維材料越來(lái)越多,這是驅(qū)動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展的因素之一。現(xiàn)在,汽車(chē)行業(yè)更傾向于使用節(jié)能、剛性和輕質(zhì)材料,以減少對(duì)環(huán)境的破壞,但加劇了原型設(shè)備制造商(OEM)和汽車(chē)制造商之間的競(jìng)爭(zhēng),這可能會(huì)使碳纖維、鋁和鎂在內(nèi)的許多先進(jìn)材料更多的應(yīng)用在汽車(chē)上。
不過(guò),該報(bào)告還指出影響這個(gè)市場(chǎng)的一個(gè)挑戰(zhàn),即碳纖維的高價(jià)格和昂貴的研發(fā)費(fèi)用。樹(shù)脂和碳纖維等原材料價(jià)格的上漲增加了供應(yīng)商的采購(gòu)成本,使得碳纖維的平均價(jià)格高達(dá)每磅40美元至50美元。增加的采購(gòu)成本有一小部分是由碳纖維供應(yīng)商負(fù)擔(dān),而主要份額則造成了客戶(hù)購(gòu)買(mǎi)的高價(jià),這可能是汽車(chē)市場(chǎng)未來(lái)的挑戰(zhàn)。
來(lái)源:中國(guó)粉末冶金商務(wù)網(wǎng)
]]>據(jù)了解,輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料在日常生活中具有廣泛的應(yīng)用,尤其是在航空、航天、汽車(chē)以及運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域。然而,碳纖維復(fù)合材料在制備和使用時(shí)存在諸多缺點(diǎn):合成碳纖維需要高溫(超過(guò)2500攝氏度)石墨化,成本較高;由于較弱的界面作用,碳纖維與聚合物基體之間容易發(fā)生分層;碳纖維復(fù)合材料的電學(xué)性能較低,不能滿(mǎn)足特殊應(yīng)用需求。而新材料可在45攝氏度以下的室溫進(jìn)行制備,強(qiáng)度與碳纖維復(fù)合材料相當(dāng),成本更加低廉,易實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)?;苽?。此外,這種薄膜材料的拉伸斷裂強(qiáng)度是普通石墨烯薄膜的4.5倍,韌性是后者的7.9倍。
程群峰介紹,該研究通過(guò)原位拉曼表征,從分子尺度揭示了π—π共軛鍵和共價(jià)鍵有序界面交聯(lián)作用的強(qiáng)韌機(jī)制,為制備高性能石墨烯納米復(fù)合材料提供了重要理論指導(dǎo)。同時(shí),這種小分子有序交聯(lián)的石墨烯復(fù)合薄膜還具有高導(dǎo)電性能、高電磁屏蔽性能,以及優(yōu)異的抗腐蝕性能和耐疲勞性能。
來(lái)源:《人民日?qǐng)?bào)》 (2018年05月11日 01 版)
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