2018/8/17 12:30:20
新材料在线
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未来科技的黑马-碳纤维材料
上天可揽月,下水可捉鳖!说的就是碳纤维材料!
碳纤维是一种含碳量在90%以上的纤维状材料,是一种特种纤维材料。
认识碳纤维材料:
碳纤维是一种以聚丙烯腈( PAN)、沥青、粘胶纤维等为原丝,经预氧化和碳化制得的含碳量90%以上的高强、高模、耐高温的特种纤维。它不仅具有碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代特别增强纤维。碳纤维具有以下性能:①比重不足钢的1/4,而其复合材料的抗拉强度是钢的7倍到9倍,具有优异的力学性能;②耐高温性能好,在2000℃的高温惰性环境中,碳纤维是唯一强度不下降的物质,这是其它金属及合金类结构材料无法比拟的;③碳纤维还具有耐化学腐蚀、导电、膨胀系数小、减震、低密度等优异性能。这些特性使碳纤维获得了“黑色黄金”之美誉。随着技术的不断成熟,碳纤维材料在各行各业都得以应用。碳纤维不仅可用于机械、汽车、家电、体育用品、建筑等传统领域,还可在航空航天、风电、海洋工程等新兴领域发挥巨大的潜能。近年来,碳纤维自行车、碳纤维网球拍等一系列产品走进寻常百姓家,使得碳纤维的知名度明显提升。此处举一个最熟悉的例子来说明碳纤维为我们的生活带来的便利。一辆汽车如利用碳纤维复合材料做车身,其重量将比传统车身减重50%。根据一般的数据来计算,车重减重10%,油耗将降低6%-8%,加速则提升8%-10%。那么以此计算,碳纤维车身的汽车油耗降低量是相当可观的。碳纤维材料将引领轻量化浪潮!
碳纤维材料的发展进程:
碳纤维在20世纪50年代初随着航空、航天、火箭等高精端技术的需要应运而产生。 碳纤维的全方位商业化始于20世纪70年代在体育项目的运用,如高尔夫球棒和钓鱼杆应用。80年代初期,高性能及超高性能的碳纤维相继出现,碳纤维开始被广泛地用在客机和航空飞行器上。自此人们提高了对碳纤维的认识,开始把它当成一种轻薄高质的材料,空客公司将碳纤维复合材料作为首要的结构材料应用在它们的飞机上。自20世纪90年代中期以来,碳纤维工业开始成为新的需求增长点。 尤其是欧洲和北美开始将碳纤维应用在压力容器上。随着碳纤维在网球和新的体育项目的应用,碳纤维开始走入寻常百姓家,市场得到了稳步的扩展。经过二十多年的发展, 碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期, 其工业地位已基本确立,美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分, 并已逐步形成垄断优势。主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克、阿克苏、阿尔迪拉和德国的 SGL公司等,其中,日本企业占据了世界78%左右的产量。
国内碳纤维材料研究现状:
我国的碳纤维发展始于20 世纪 60 年代,1976年国内首批产能 2t/a 的 PAN 基碳纤维试验生产线在中科院山西煤化所建成。80 年代开始高强型碳纤维的研究,多年来进展缓慢,但也取得了一定成绩。 经过三十多年的努力,已经研制出接近日本东丽公司水平的碳纤维产品,但产量和品质都远不能满足国内需求。 与国际先进水平相比,国产碳纤维的突出问题是碳纤维强度低,均匀性和稳定性都较差,而且生产规模小,国内产量根本无法满足需求,90%依赖进口。目前全国碳纤维生产企业共三十余家,从事碳纤维复合材料制品研制和生产,以及设备制造的厂家有百余家。其中大多是生产体育休闲用品,从事航空航天等高端碳纤维复合材料研制、生产单位十余家,从事纤维缠绕和拉挤成型工艺生产碳纤维复合材料的企业共四十余家。由于碳纤维复合材料应用领域的特殊性,国外对高性能碳纤维技术与高端工艺装备实施垄断封锁,低端碳纤维产品向我国倾销。
碳纤维的关键性能指标:
作为结构材料,碳纤维相比其他材料的主要优势是具有高比刚度,因此其主要应用对象应是同时具有减重和变形要求的结构。结构设计的经验表明,采用现有碳纤维无法实现更多减重的瓶颈是其弹性模量,因此具有更高弹性模量的碳纤维是发展的趋势,当然模量和强度应具有合理的比值。目前国内工业领域使用的碳纤维中,T700级是其中的主流,很多领域的复合材料制品规范均按T700S的指标制订。碳纤维产业的生存取决于能否制造出全寿命成本优于其他材料的碳纤维复合材料制品,应开展对碳纤维力学性能稳定性的评价体系研究,为工业界提供低成本且性能稳定的碳纤维产品。
未来的发展及思考:
碳纤维属高新技术、高附加值产品,具有其他材料不可比拟的优异性能,具有广泛的用途和良好的发展前景。碳纤维在军事装备方面的应用举世皆知,同样碳纤维及其在工业领域(包括民航飞机、轨道交通和汽车等)的潜在应用也一定会是关键的核心技术,未来上万吨的用量不可能一味的依靠进口。国产碳纤维起步与东丽基本同步,但对相应产品的开发缺乏重视,长期停留在技术落后的状态。
随着我国经济的持续快速发展,碳纤维的市场需求与日俱增,发展我国的碳纤维工业具有重大的现实意义和深远的历史意义。因此,针对当前现状,必须加快我国碳纤维发展进程。各科研院所应进一步加大碳纤维材料的基础应用研究和开发,建立我国自主知识产权,实现碳纤维材料的质量稳定,降低成本。
作者简介
孟庆丽, 资深碳纤维领域投资人士,专注于碳纤维已经有3年多了,具备宏观和微观视角,也和多家优质的企业及行业专家进行交流,并投资过碳纤维产业链公司。目前就职于一家投资管理公司,关注领域包括:消费升级、新材料、医药健康、TMT。
本文已经获孟庆丽授权发布
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