科普專欄 / Information

碳纖維及複合材料

一、碳纖維

碳纖維(carbon fiber,簡稱CF),是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔内剛”,質量比金屬鋁輕,但強度卻高于鋼鐵,并且具有耐腐蝕、高模量的特性,在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。

碳纖維具有許多優良性能,軸向強度和模量高,密度低、比性能高,無蠕變,非氧化環境下耐超高溫,耐疲勞性好,比熱及導電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數小且具有各向異性,耐腐蝕性好,X射線透過性好等。

近年,在國家政策扶持下,我國碳纖維行業在關鍵技術、裝備、産業化生産及下遊應用等方面均取得重大進展,千噸級工業化裝置陸續建成并投産,初步建立了從原絲、碳纖維到複合材料及制品全産業鍊,實現了從無到有的轉變。随着我國工業快速發展,國内碳纖維年消費量不斷攀升。2008年,我國碳纖維需求量為2995.1噸。2010年達到4240.6噸,同比增長17.4%。2012年我國碳纖維需求量為6000噸,同比增長18.6%。

二、碳纖維複合材料

《中國碳纖維市場發展研究及投資前景報告》顯示,高性能碳纖維複合材料産業在我國具有廣闊的應用前景。針對我國能源、資源、環境、制造、交通等國民經濟支柱産業對高性能結構材料的迫切需求,研制出滿足航空航天、高速軌道交通、大型風力發電裝備等所需的碳纖維複合材料,不僅将為我國重大工程建設和重大裝備制造提供技術保障,而且将為我國從材料大國轉變為材料強國奠定堅實的基礎。

1、碳纖維車架

碳纖維自行車主要是中高檔的競賽用自行車,作為新興材料,碳纖維主要應用于車架(碳架)、前叉、輪組(碳刀車圈)等。

碳纖維車架具有三個明顯的特征:(1)重量輕,碳纖維車架是把碳纖維對着發生應力的方向層層疊而得到強度。碳纖維車架非常輕,是由低的密度和強的拉伸強度構成;(2)沖擊吸收性好,碳纖維用來制作殘疾者運動時用的假腿,或者特殊的彈簧等被用在各領域。利用它的吸收沖擊力優異的性能,制作不用避震器的自行車;(3)可塑性強,制造各種形狀的車架。

2、碳纖維飛機

碳纖維複合材料在民用飛機上的應用被特别看好,目前新增産能均以滿足航空需要的高性能碳纖維及複合材料為主,未來5~10年内碳纖維複合材料在民用飛機上的應用也将高速成倍增長。據統計,2008~2010年世界航空航天領域對碳纖維複合材料的總需求為2.4萬噸,預測2018年碳纖維複合材料的需求将達到2萬噸。随着我國軍用飛機、支線飛機ARJ21及大型商用客機C919項目的開展和我國航天事業的發展,碳纖維複合材料的用量将會不斷增長。國内航空運輸市場的快速發展将對民用飛機産生巨大需求,預計到2023年,中國客貨運輸飛機擁有量将達到2769架。飛機制造業的發展将需要很多高性能的碳纖維增強飛機蒙皮鋁合金材料。面對國内和國際兩個市場,将發展形成巨大的産業。

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