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碳纤维应用领域集锦

航空航天领域

碳纤维是纤维状的碳素材料,含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能,与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中,是唯一强度不下降的物质。此外,其还兼具其他多种得天独厚的优良性能:低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性、纺织加工性均优良等。因此,碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域,在航空航天领域的光辉业绩,尤为世人所瞩目。


军品


碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上,碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明显的减重作用,大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能,数据显示采用复合材料结构的前机身段,可比金属结构减轻质量31.5%,减少零件61.5%,减少紧固件61.3%;复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。


据悉,美国第四代战斗机F22采用了约24%的碳纤维复合材料,从而使该战机具有超高音速巡航、超视距作战、高机动性和隐身等特性。而据外媒报道,F-35战机首飞时间一推再推,其中很重要的一个原因就是超重。


为破解这一难题,洛?马公司采用多达35%的碳纤维复合材料才大幅降低了机体重量。美国防部在“面向21世纪国防需求的材料研究”报告中强调,“到2020年,只有复合材料才有潜力使装备获得20-25%的性能提升”。


中国战机要想在未来实现超音速巡航性能,除了大推力发动机以外,必须还要使用碳纤维材料为战机减重,特别是,这在中国缺乏大功率发动机的现实下,具有很大意义。


民品




在民用领域,555座的世界最大飞机A380由于CFRP的大量使用,创造了飞行史上的奇迹。飞机25%重量的部件由复合材料制造,其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP),3%为首次用于民用飞机的GLARE纤维-金属板(铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构)。这些部件包括:减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。


火箭、导弹




以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料,在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上,碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料,在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用,美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料,如美国三叉戟-2导弹、战斧式巡航导弹、大力神一4火箭、法国的阿里安一2火箭改型、日本的M-5火箭等发动机壳体,其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为5.3GPa的IM-7碳纤维,性能最高的是东丽T-800纤维,抗拉强度5.65Gpa、杨氏模量300GPa。


卫星、航天飞机及载人飞船




高模量碳纤维质轻,刚性,尺寸稳定性和导热性好,因此很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作,而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。


汽车配件领域 


碳纤维及其复合材料发挥着越来越重要的作用,从车身到发动机,碳纤维正在逐步取代金属材料,极大地提高了汽车的性能。




由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度,其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的材料。主要的应用有:发动机系统中的推杆、连杆、摇杆、水泵叶轮,传动系统中的传动轴、离合器片、加速装置及其罩等,底盘系统中的悬置件、弹簧片、框架、散热器等,车体上的车顶内外衬、地板、侧门等。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40~60%,相当于钢结构重量的1/3~1/6。在先进复合材料中,碳纤维增强复合材料是目前最常应用的高性能增强纤维之一,碳纤维复合材料具有足够的强度和刚度以及优良的综合性能,它的应用将可大幅度降低汽车自重达40~60%,对汽车轻量化具有十分重要的意义,已成为汽车轻量化材料的重要发展方向。


风机叶片领域 


复合材料是制造风力发电叶片及其它重要结构部件的主要材料,叶片90%以上重量由复合材料组成,能够满足开发大型化、轻量化、高性能、低成本的发电叶片的要求。




由于现有材料性不能很好满足大功率风力发电装置的需求,玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限,因此,在发展更大功率风力发电装置和更长转于叶片时,采用性能更好的碳纤维复合材料是势在必行。根据国外有关资料报道,当风力机超过3MW、叶片长度超过40米时,在叶片制造时采用碳纤维已成为必要的选择。事实上,当叶片超过一定尺寸后,碳纤维叶片反而比玻纤叶片便宜,因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。


建筑补强领域


碳纤维复合材料在被应用与建筑工程结构加固和承载能力及使用功能改善的过程中,可以感觉加固位置的不同,加固方法的差异以及所需功能的不同而有针对性的进行选择。比如,施工企业想要提升建筑的承载能力时,常常会选择那些强度较高的碳纤维布。当施工企业想要提升建筑的刚性时,则会选择碳纤维板。在应用嵌入式方法进行施工时,往往会选择碳纤维条带等等。




新的建筑工程施工建设过程中,常常由于要求的不同,会选择碳纤维复合材料族的碳纤维筋、索、型材以及由此而衍生出来的构建等。碳纤维筋能够通过替换钢筋,在使用环境存在较大腐蚀风险的情况下,确保钢筋结构的损害风险降低,从而有效提升结构的稳固性和延长结构的使用寿命。将其应用与那些混凝土中钢筋较为密集的部位,则可以起到减少钢筋使用量,节省成本,简化施工操作流程的作用。而碳纤维索应用的主要方向为大跨度结构建设中的吊索亦或者是锚索等,通过碳纤维索的应用不仅可以减少结构的自重,同时还能够起到高抗拉力的作用。


电力输送领域 



碳纤维以其固有的特性赋予了其复合材料优异的性能,它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能,从而为其在电线电缆行业中的应用提供了可能和必然。






1碳纤维加热电缆的开发和应用


人们早就知道,以金属材料为发热体的电加热技术已在各个领域得到了广泛的应用。但是金属丝在高温状态下表面易氧化,由于氧化层不断的增厚,造成了有效通过电流的面积减小,增大了电流的负荷,因此易烧断。在相同的允许的电流负荷面积下,金属丝的强度比碳纤维低6-10倍,在使用过程中易折断。


碳纤维是一种石墨的六方晶格层状结构组成,是一种全黑体材料,因此在电热应用中,表现出来的电热转换效率高。在特定的条件下,高温不氧化,单位面积的电流的负荷强度和机械强度不发生改变。


目前碳纤维加热电缆的应用如下:

? 低温辐射发热电缆地板采暖系统。

恒温育雏箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保温采暖。

道路化雪、机场跑道化雪:用于混凝土结构中楼面加热的理想产品,也可以用在融雪装置中,对屋面雨水和排水管进行防霜,还可以用于土壤加热。

足球场草坪、公共绿地土壤保温:太阳能热水器电能补充加热器,主要用于在长期阴雨天或寒冬季节,因光照不足而导致太阳能热水器水温不能满足生活、工程需要时,为补充热能而设计的。


2碳纤维复合芯导线


我国是个缺电的国家,不仅发电业的发展滞后,输电业的弊端也凸现出来,输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求,由于过负荷造成的停电、断电故障频频发生,电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”,各国均在研究新型架空输电路用导线,以取代传统的钢芯铝绞线,碳纤维复合芯导线由此应运而生。与钢芯铝绞线相比,碳纤维复合芯导线具有以下优点:

1、和同样直径的acsr电缆相比,可以提供双倍的载流容量。

2、有效解决电缆下垂问题。

3、可以在更高的温度下工作,最高可达200摄氏度。

4、线芯可以抗腐蚀,而且没有双金属间腐蚀问题。

5、因为可以提供更高的载流容量,所以同时也有效的降低了工程成本。

6、与相同直径传统电缆相比可以多容纳28%的导体。

7、高强度线芯可以有效减少电缆架的数量,或降低电缆架的高度。

8、有效减少电缆下垂,使地面生物更加安全。

除了上述提及的优点外,还可减少传输中电力的损耗,减少20%的塔杆,节省用地,减少有色金属资源消耗,有助于构造安全、环保、高效节约型输电网络。目前世界上只有美国和日本开发出这种新型导线,他们还达成默契:不向第三国输出,日本一家碳纤维导线企业的产量就占到世界40%左右。目前我国电线电缆研究所、电力建筑研究院以及国家电网有限公司都已经开始了对accc导线的试验研究工作。国内电缆厂家也加大与外方合作,将这种新型电缆引进到中国生产,积极推动我国架空输电线路的技术革命。最近福建电网已经将该新型导线架设运行。


3在高低温、腐蚀等苛刻环境应用的可能


碳纤维可以耐-180℃的低温,在此条件下,许多材料都变的很脆,连坚固的钢铁也变的比玻璃还容易碎,而碳纤维在此条件下依旧很柔软。因此,碳纤维复合芯可用于极地(如南极考察研究等)条件下输电载体的设计和制造。碳纤维又可以耐3000℃~3500℃的高温,在此高温下最好的耐热钢也变成钢水,但在没有氧气的情况下,碳纤维没有变化。


碳纤维即使从3000℃的高温快速冷却到室温也不会炸裂,因而可在急冷急热的环境中工作。这为钢铁、冶金、锅炉等行业中高温特高温场合电缆的设计提供了可能。


体育用品领域


在文体用品方面,碳纤维增强复合材料主要用在以下几个方面:


1、高尔夫球棒




用CFRP制成的高尔夫球棒、可减轻重量约10一40%。根据动量守恒定律,可使球获得较大的初速度。另一方面,CFRP具有高的阻尼特性,可使击球时间延长,球被击得更远。


2、钓鱼竿


碳纤维增强复合材料制成的钓鱼竿比GFRP制品或竹竿都要轻得多,使其在撒竿时消耗能量少,而且撤竿距比后者远20%左右。CFRP所制的钓鱼竿长而好,刚性大,钓鱼竿在弯曲之后能迅速复原,使其传递诱饵的感觉较为灵敏。现在已有商品销售,用碳纤维增强塑料还可以制成渔具的卷铀,其重量不超过140克,但它的疲劳强度高,耐摩擦,因而使用寿命长。


3、网球拍


复合材料制成的网球拍,轻而坚,刚性大,应变小,可降低球与球拍接触时的偏离度;同时,CFRP的阻尼性好,可延长肠线与球的接触时间,使网球获得较大的加速度。例如,木制球拍的接触时间为4.33毫秒,钢制品为4.09毫秒,CFRP为4.66毫秒,相对应的球的初速度则分别为149.6千米/时、138千米/时和157.4千米/时。这种网球拍已有商品供应市场销售。


4、赛车




用石墨纤维长丝制成的管材可用来制造比赛车或通用自行车的车架,其特点是重量轻,比钢制架可减重50%左右,使自行车的总重量减轻15%。


碳纤维与玻璃纤维混合增强复合材料可用来制造越野赛汽车,它的特点是重量轻。用金属材料制造的同样车体的总重量为226.8公斤,用CFRP制造时为63.5公斤,用CF/GPRP制造时重量可减轻到31.8至36.5公斤。


5、滑雪板


用碳纤维增强复合材料制造的滑雪板,其特点是刚性大,耐摩擦,在转弯、斜坡和越野赛中脚底用力较小。用CFRF制造的滑雪杖在运动界也享有盛名。其特点是刚性大,重量轻,一般在150克左右。


6、其他用途


除以上用途外,碳纤维增强复合材料在体育用品方面还可以制造动力雪撬用的弹簧板、洋弓、箭、跳竿、冰球棒、游艇、赛艇、赛艇桨、帆船桅杆、摩托车零件、登山用品以及滑翔机、人力飞机等。

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