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新型無(wú)機(jī)非金屬材料碳纖維的應(yīng)用前景廣闊


來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng)

標(biāo)簽碳纖維
碳纖維是先進(jìn)復(fù)合材料最常用的也是最重要的增強(qiáng)體,。碳纖維是由不完全石墨結(jié)晶沿纖維軸向排列的一種多晶的新型無(wú)機(jī)非金屬材料�,;瘜W(xué)組成中碳元素含量達(dá)95%以上,,超過(guò)99%以上稱(chēng)為石墨纖維。

    碳纖維具有高強(qiáng)度,、高模量,、耐高溫、耐腐蝕,、耐疲勞,、抗蠕變、導(dǎo)電,、傳熱等特性,,屬典型的高新技術(shù)產(chǎn)品,。主要用于制備先進(jìn)復(fù)合材料(ACM),已廣泛應(yīng)用于航空航天,、體育用品領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域,、交通運(yùn)輸領(lǐng)域及土木建筑領(lǐng)域,。鑒于近年軍事工業(yè)上應(yīng)用的萎縮、碳纖維成本的降低及先進(jìn)低成本制造復(fù)合材料技術(shù)的突破,,碳纖維復(fù)合材料在建筑,、工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)确矫娴膽?yīng)用便成為研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn),,并取得了一定的突破性進(jìn)展,。

    1、在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

    在航空航天領(lǐng)域,,由于碳纖維重量輕,,剛性、尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性好,,高模量碳纖維很早便應(yīng)用于人造衛(wèi)星中,。碳纖維在宇航上的應(yīng)用主要在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和噴管上。2002 年,,在宇航領(lǐng)域中碳纖維的需求量大約是4000 t,。據(jù)報(bào)道,全球碳纖維在航空航天領(lǐng)域中需求增長(zhǎng)速度最快,,2003-2006 年其年均增長(zhǎng)率為85%,,至2009 年以后3 年中,仍保持每年73%的增長(zhǎng)速率,。在飛機(jī)制造方面,, 小型商務(wù)機(jī)和直升飛機(jī)的復(fù)合材料用量已占70%一80%,軍用機(jī)30%一40%,,大型客機(jī)15%一20%,。碳纖維在飛機(jī)上的比例已從原來(lái)的10%-20%上升至50%-80%。

    (1)在民用大型客機(jī)方面,,波音和空中客車(chē)公司兩大飛機(jī)制造商大量采用復(fù)合材料,。A380 客機(jī)使用復(fù)合材料達(dá)25-30 t/架,其中85%是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP),。中等尺寸規(guī)格的A350飛機(jī)中占總質(zhì)量52%的結(jié)構(gòu)組件將采用復(fù)合材料來(lái)制造,, 主要是碳纖維增強(qiáng)塑料材料,B787 每架需碳纖維23 t,。據(jù)市場(chǎng)稱(chēng),,波音和空中客車(chē)每年交付使用客機(jī)大約250-350 架,。2005 年波音公司飛機(jī)合同650 架,空中客車(chē)公司417 架,,2005 年底兩大飛機(jī)公司交付飛機(jī)620 架,, 復(fù)合材料用量約1700 t,CFRP 約1020 t,。據(jù)悉,,波音公司近十年將有10000 架次的市場(chǎng),未來(lái)20 年全球?qū)⑿枰?5000 架大型飛機(jī),,總價(jià)值約2 萬(wàn)億美元,。波音公司還報(bào)導(dǎo),到2020 年中國(guó)需要1764 架商用飛機(jī),,是美國(guó)本土以外最大的市場(chǎng),。中國(guó)航空公司要增加1459 架新飛機(jī),僅僅是為了滿足國(guó)內(nèi)航線,。自2005 年碳纖維復(fù)合材料在B-777 飛機(jī)上的成功應(yīng)用以來(lái),,全球范圍掀起碳纖維復(fù)合材料熱潮,歐美大型飛機(jī)加快了使用復(fù)合材料的步伐,,新設(shè)計(jì),、生產(chǎn)或投入使用的飛機(jī),大量使用碳纖維復(fù)合材料,。

    (2)除了民用大型客機(jī)方面,,另一大領(lǐng)域就是碳纖維在軍用飛機(jī)制造方面的應(yīng)用。根據(jù)2001-2005 年總的統(tǒng)計(jì),,美國(guó)國(guó)防空軍對(duì)碳纖維需求量為995,320 千克,。洛克希德馬丁公司戰(zhàn)勝波音被選為聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)的制造商,3000 架戰(zhàn)斗機(jī)總值為2000 億美元,。因此,,可以預(yù)計(jì)中、長(zhǎng)期碳纖維在航天航空領(lǐng)域仍會(huì)有一定增長(zhǎng),。

    據(jù)統(tǒng)計(jì),,2001 年航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求為2690 t,2002 年和2003 年對(duì)碳纖維的需求量有所減少,,2002 年約減少20%,,2003 年則減少約9 %。2003 年以后航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求出現(xiàn)快速增長(zhǎng),,2006 年與2001 年相比增長(zhǎng)約40 %,,2008年增長(zhǎng)約76 %, 2010 年和2001 年相比增長(zhǎng)超過(guò)100%,。

    2,、在體育休閑用品領(lǐng)域中的應(yīng)用

    文體用品領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求,,2003-2006 年的年均增長(zhǎng)率為42%,至2009 年以后三年中,,預(yù)計(jì)年均增速為46%,。2003 年和2004 年世界碳纖維總消耗量分別為19210 t 和20680 t,而用于體育休閑用品的碳纖維都超過(guò)5000 t,,占世界碳纖維總消耗量的25%左右,。體育用品使用碳纖維絕對(duì)數(shù)量仍在增加,根據(jù)美國(guó)體育用品制造商協(xié)會(huì)的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),, 美國(guó)市場(chǎng)體育用品設(shè)備銷(xiāo)售在2006 年總額約250 億美元,這還不包括鞋子,、機(jī)動(dòng)車(chē)輛和舉重器材,。大量使用碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)品是高爾夫球槽、球拍,、雪橇,、滑雪板、曲棍球棒,、釣魚(yú)竿和自行車(chē),。生產(chǎn)上述7 種產(chǎn)品,制造商在2006 年的復(fù)合產(chǎn)品消費(fèi)量估計(jì)為6710 噸左右,。按此計(jì)算,,2006 年體育用品制造業(yè)所用的碳纖維占全球消費(fèi)量的24%左右。但是,,同過(guò)去相比,,體育用品的碳纖維使用量占全球使用量的比例在逐漸降低,2004 年體育用品碳纖維用量占了大約31%,。不過(guò),,體育用品使用碳纖維的絕對(duì)數(shù)仍在增加,在未來(lái)幾年內(nèi),,每年的增長(zhǎng)預(yù)計(jì)平均為4.3%,,到2009 年或2010 年,使用量將有可能超過(guò)唱片業(yè)的水平,。據(jù)估計(jì),,全球每年的高爾夫球棒的產(chǎn)量為3400 萬(wàn)副,主要產(chǎn)自美國(guó),、中國(guó),、日本和中國(guó)臺(tái)灣省,;全球碳纖維釣魚(yú)竿的產(chǎn)量每年約2000 萬(wàn)付,;網(wǎng)球拍框架的市場(chǎng)容量約為每年600 萬(wàn)付,。碳纖維在其他體育項(xiàng)目的應(yīng)用還包括冰球棍、劃船,、賽艇,、沖浪器械等。

    3,、在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用

    汽車(chē)零部件輕量化,, 小型化已成為未來(lái)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的重要課題。汽車(chē)輕量化使得汽車(chē)油耗降低,,大大降低了汽車(chē)的使用成本,,也使總的能耗大大降低了。據(jù)資料介紹,,汽車(chē)自重減輕100公斤,,行駛100 公里,可節(jié)省油0.3 公斤,。自重減輕10%,,燃油經(jīng)濟(jì)性可提高10%。目前在汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用復(fù)合材料的有: 驅(qū)動(dòng)軸,,車(chē)身,,車(chē)門(mén),橫梁,,油箱,,懸臂梁,鋼板彈簧,,減速器,,變速器支架,座位架,,行李箱板和方向盤(pán)等,。據(jù)悉,福特和保時(shí)捷生產(chǎn)的GT 型賽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩已全部采用碳纖維材料,;奔馳的57S 型轎車(chē)原來(lái)內(nèi)裝飾全部以碳纖維替代,; 通用的雪佛萊轎車(chē)底盤(pán)的內(nèi)裝飾材料也采用碳纖維;寶馬公司將M6 型轎車(chē)的頂篷全部采用碳纖維等,。1992 年通用汽車(chē)公司的超輕概念車(chē)車(chē)身采用碳纖維復(fù)合材料由手鋪碳纖維預(yù)浸料工藝制造,,整體車(chē)身質(zhì)量?jī)H為191公斤,車(chē)身剛度優(yōu)于鋼制車(chē)身,,密度僅為鋼制車(chē)身的1/4,。英國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)生產(chǎn)BPS240 車(chē)身板系統(tǒng)和MTM57 零件預(yù)浸料被選用于IFR 汽車(chē)公司的Aspid 豪華賽車(chē)上,碳纖維的主導(dǎo)地位使車(chē)減重700 kg,。

    英國(guó)材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(MSL)就各種材料對(duì)車(chē)身輕量化的效果進(jìn)行研究,,結(jié)果表明,,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的車(chē)身質(zhì)量?jī)H為172公斤,而鋼制車(chē)身為367.9 公斤,,輕量化效果達(dá)53%以上。

    設(shè)計(jì)表明,,一輛典型小車(chē)的碳纖維用量可以超過(guò)113kg,。僅僅為了滿足北美的需求,, 碳纖維的需求量就達(dá)現(xiàn)有世界碳纖維總生產(chǎn)能力的100 倍。洛克希德馬丁研究所的瓦倫統(tǒng)計(jì)過(guò),,如每輛北美的汽車(chē)用2.2kg 碳纖維,, 那北美1800 萬(wàn)輛小車(chē)的碳纖維總量就超過(guò)當(dāng)前全球大絲束碳纖維總產(chǎn)能的4 倍。

    4,、一般工業(yè)應(yīng)用

    近幾年,,一般工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求不斷增長(zhǎng)。在能源和貯能方面,,如在風(fēng)力發(fā)電葉片,、飛輪,、電池,、油氣開(kāi)采、壓力容器等領(lǐng)域上的應(yīng)用不斷擴(kuò)大,。據(jù)報(bào)導(dǎo),制備注射和模壓用的粒料消耗的碳纖維高達(dá)2700 t,,主要用于生產(chǎn)手機(jī)、計(jì)算機(jī),、辦公設(shè)施等,。碳纖維還可以應(yīng)用于供溫室吸附與分離氣體用的新型碳基裝置,,在環(huán)保領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。除此以外,,一些新興用途,,如土木建筑的補(bǔ)強(qiáng)加固材料,航海構(gòu)件,,電磁屏蔽材料和靜電消散材料等方面的應(yīng)用也在增加,。

    (1)海上油氣開(kāi)采

    用于平臺(tái)錨固到海底的繩索和連接油井口到平臺(tái)的管子。碳纖維復(fù)合材料繩索和管子因其優(yōu)異的性能在海上油田的市場(chǎng)
潛力巨大,。2005-2010 年復(fù)合材料生產(chǎn)管子和繩索的潛在市場(chǎng),。

    (2)風(fēng)力發(fā)電

    據(jù)GEC 預(yù)測(cè),2004 年風(fēng)電裝機(jī)容量約40000MV,,2008 年預(yù)計(jì)達(dá)到95000MV,,假定增加部分一半用碳纖維葉片,,需要34000個(gè)葉片,,11000 個(gè)2MV 的渦輪機(jī),, 每個(gè)葉片大約需要碳纖維1500-2000 公斤,,2004-2008 年共需要碳纖維59000 噸, 年平均需求量15000 噸/年,,相當(dāng)于06 年全球碳纖維產(chǎn)能的50%,。據(jù)估計(jì),,到2008 年用于葉片的碳纖維可達(dá)4536 t,,其用量可占世界年碳纖維產(chǎn)量的25%左右,。
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