碳纖維材料的應用與展望

碳纖維材料的應用與展望

碳碳是一種新型的非金屬材料。碳纖維及其復合材料屬于高新技術產品,具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能。它既可作為結構材料承載負荷,又可作為功能材料發(fā)揮作用。因此,近年來有關碳纖維的應用研究的發(fā)展十分迅速,在航空、航天、汽車、環(huán)境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運動器材等眾多領域得到了廣泛的應用。1碳纖維復合材料碳纖維材料的產品有四種形式:絲束、布料、預浸料坯和切短纖維。布料是由碳纖維制成的織物。預浸料坯是將碳纖維按照一個方向一致排列,并將碳纖維或布料用樹脂浸泡使其轉化成片狀。切短纖維是指短絲。碳纖維的主要用途是與塑料、金屬、陶瓷等基體復合,制成碳纖維復合材料。根據(jù)用途不同,按照不同的配比,將不同的碳纖維產品和樹脂一起應用將形成碳纖維強化塑料,其加工方法有纏繞成型法、樹脂轉注成型法(RTM)、薄片纏繞法。碳纖維與最合適的樹脂及預制工藝的結合使得碳纖維的應用更加具有吸引力。2碳纖維性能好碳纖維與鉆石一樣,是主要由碳元素組成的物質,具有以下特性:輕質高強,其比重為鐵的四分之一,比強度為鐵的10倍,尤其是高彈模量碳纖維,其抗拉強度比鋼材大68倍,彈性模量比鋼材大1.8~2.6倍。如日本東麗已開發(fā)出高強型T1000系列碳纖維,其抗拉模量為295GPa,拉伸強度達7.05GPa,而高強高模M5J型碳纖維,抗拉模量達640GPa,抗拉強度為3.62GPa;化學性能非常穩(wěn)定,耐高溫和低溫以及耐腐蝕性高,在600℃高溫下其性能保持不變,在-180℃低溫下仍很柔韌,不與惡劣環(huán)境下酸、堿、鹽發(fā)生腐蝕性反應;可加工性能好,例如,由于碳纖維布質輕又可折可彎,可適應不同構件形狀,成型很方便,可根據(jù)受力需要粘貼若干層,而且施工時不需要大型設備,也不需要采用臨時固定,對原結構無新的損傷。此外,碳纖維的其他特性還包括高強度的X射線穿透性、較高的抗熱、導電性及抗磨蝕性能等。3碳材料的應用3.1碳纖維在航空領域的使用由于碳纖維性能優(yōu)越,其復合材料具有高比強度、設計性好、結構尺寸穩(wěn)定、抗疲勞斷裂性好和可大面積整體成型,以及特殊的電磁性能和吸波隱身的特點,鑒于其在工業(yè)化生產初期,成本非常高,因此主要應用于少量的高科技的航空航天及軍事領域,如用于生產軍用、民用飛機以及戰(zhàn)略導彈和運載火箭等。在航空領域,碳纖維用于包括水平和垂直機尾,地板梁等材料,它們被稱作基礎結構材料,除了基礎結構材料外,碳纖維還用于副翼、螺旋漿、升降梯、引擎和其他部件。在20世紀80年代早期,碳纖維作為結構材料開始被廣泛地用在客機和航空飛行器,80年代中期,歐洲空客公司開始將碳纖維增強塑料(CFRP)作為首要的結構材料應用在它們的飛機上。2005年隨著新型空中客機A350和波音787客機Dreamliner(也被稱之為7E7)的投產,給碳纖維工業(yè)產生顯著的推進作用?？罩锌蜋CA350中復合材料用量已接近總質量40%,波音787的機翼和機身上使用的復合材料超過了50%。碳纖維也大量用于航天器的制造材料,如在人造衛(wèi)星中它們被用作構件、太陽能板、天線和其它部件等。3.2其他體育項目碳纖維在運動領域的三個主要用途是用于高爾夫球棒、釣魚桿和網(wǎng)球拍框架的材料。目前,據(jù)估計每年的高爾夫球棒的產量為3400萬副,按照國家和地區(qū)分類,美國和日本是高爾夫球棒的主要消費地,占80%以上。全世界碳纖維釣魚竿的產量約為每年2000萬副,網(wǎng)球拍框架的市場容量約為每年600萬副。其它的體育項目應用還包括冰球棍、滑雪杖、射箭和自行車,同時碳纖維還應用在劃船、賽艇、沖浪和其它海洋運動項目中。體育休閑用品是應用碳纖維復合材料的一個極重要領域,2003年和2004年世界碳纖維總消耗量分別為19210t和20680t,而用于體育休閑用品的碳纖維都超過5000t,占世界碳纖維總消耗量的25%左右。而碳纖維復合材料高爾夫球桿(簡稱碳纖維高爾夫球桿)又是體育休閑用品中應用碳纖維復合材料最主要的產品,占應用于體育休閑用品碳纖維總量的50%左右,世界碳纖維總消耗量中約有12.5%左右用于生產制造高爾夫球桿。3.3碳纖維在車載及頂天面圖上的應用在一般工業(yè)制造領域中,碳纖維材料現(xiàn)已成為汽車制造商青睞的材料,在汽車內外裝飾中開始大量采用。據(jù)悉,福特和保時捷生產的GT型賽車發(fā)動機機罩已全部采用碳纖維材料;奔馳的57S型轎車原來內裝飾全部是木質材料,現(xiàn)在則以碳纖維替代;通用的雪佛萊轎車底盤的內裝飾材料也采用碳纖維;寶馬公司將M6型轎車的頂篷全部采用碳纖維,并進行技術處理,使其保持金屬材料的光澤。在工業(yè)領域,碳纖維還可應用于機器部件、家用電器、微機、及與半導體相關設備,用來起到提高強度、防靜電和電磁波防護的作用。另外,在X射線儀中,碳纖維的應用可以減少人體在X射線下的暴露。隨著環(huán)保要求的提高,碳纖維開始被廣泛應用于汽車尾部沸騰器、發(fā)動機、傳動軸和燃料箱材料。3.4碳纖維加固處理20世紀80年代末90年代初在發(fā)達國家興起了一種以碳纖維布加固修復鋼筋混凝土的結構補強加固技術。我國從20世紀90年代也開始研究和應用,現(xiàn)在已經(jīng)取得一定的研究成果。例如,位于深圳市建設路的博悅大廈,主體由A,B,C三棟建筑物構成。A、B兩棟為寫字樓,C棟為酒店式公寓。由于深圳地區(qū)抗震設防烈度由原來6度提高到了7度,造成原設計的主樓框支梁上部分樓層剪力墻水平鋼筋配比率低于現(xiàn)行抗震規(guī)范要求,因此,決定采用剪力墻表面粘貼碳纖維進行加固處理。施工流程與現(xiàn)場施工方法為:混凝土基底修補、打磨處理→涂底層HCJ碳纖維膠粘合劑→用HCJ碳纖維進行殘缺修補→粘貼第一層碳纖維片→粘貼第二層碳纖維片→表面涂裝→養(yǎng)護→完工驗收,整個工期僅用了2周的時間。碳纖維補強建筑的研究已經(jīng)較為成熟,主要研究領域包括四方面的內容:抗彎加固、抗剪加固、碳纖維與混凝土界面粘結性能和抗震性能研究等。目前,我國建國初期的一些大型建筑已經(jīng)進入了一個需要大力修繕和補強的時期。此外,我國擁有眾多的名勝古跡,對它們保護性的修繕也需要性能優(yōu)異的碳纖維材料來實現(xiàn)。阻礙碳纖維在建筑物補強中應用的主要因素是成本問題。隨著碳纖維產能的不斷擴大,成本逐漸降低,加之碳纖維施工技術的不斷完善,相信建筑補強用碳纖維材料將出現(xiàn)快速的增長。碳纖維補強混凝土結構時,不需要增加螺栓和鉚釘固定,對原混凝土結構擾動較小,施工工藝簡便。作為材料,它們正在替代金屬和混凝土來滿足環(huán)境、安全和能源要求,在土木工程和建筑領域的需求量正在呈現(xiàn)上升趨勢。在鐵路建筑中,大型的頂部系統(tǒng)和隔音墻在未來會有很好的應用,這些,也將是很有前景的應用。3.5碳纖維混雜復合材料結構對大型風力發(fā)電葉片材料的影響隨著人類環(huán)保意識的提高,大型風力發(fā)電產業(yè)正在迅速興起。葉片是風力發(fā)電機組有效捕獲風能的關鍵部件。在發(fā)電機功率確定的條件下,葉片的材料越輕、強度和剛度越高,葉片抵御載荷的能力就越強,葉片就可以做得越大,它的捕風能力也就越強。因此,輕質高強、耐久性好的玻璃纖維和碳纖維混雜復合材料結構成為目前大型風力發(fā)電機葉片的首選。尤其是在翼緣等對材料強度和剛度要求較高的部位應使用碳纖維作為增強材料,不僅可提高葉片的承載能力,也可因碳纖維具有導電性而有效避免雷擊對葉片造成的損傷。4碳纖維的應用領域、用途將更加廣泛碳纖維屬高新技術、高附加值產品,具有其他材料不可比擬的優(yōu)異性能,自商品化以來,應用范圍己從最初的航空航天、軍事部門逐漸向民用領域滲透,目前己擴展到整個工業(yè)民用的多種領域。隨著應用研究的不斷深入,特別是在民用方面仍將繼續(xù)拓寬應用領域。據(jù)國外預測碳纖維除了在航空航天以及體育用品進一步應用外,近年內包括土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規(guī)模采用工業(yè)級碳纖維,具有廣泛的用途和良好的發(fā)展前景。預計2010年需求量將達到3.2萬t/a,全球碳纖維的供給與需求將出現(xiàn)緊張局面。我國PAN基碳纖維材料加工業(yè)已初具規(guī)模,有一定的技術基礎和市場開發(fā)能力,市場需求比較旺盛,但