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碳纤维材料是什么?怎么制造?有什么用途?一文搞懂

日期:2019-03-01    来源:发电人

国际新能源网

2019
03/01
10:20
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关键词: 碳纤维材料 风能 风力涡轮机

  碳纤维到底是什么材料?又是怎么制造的?今天小编跟大家一起探讨一下:
 
  碳纤维材料是什么?
 
  碳纤维,大家都听说过,对于我们来说它是一种既熟悉又陌生的高性能材料,既有碳材料硬的固有特性,又有纺织纤维柔的加工特性,被称为材料之王。
 
  经常用在飞机,火箭,防弹车上的高端材料。碳纤维在汽车上的应用最早是在F1赛车上。现在也用在民用汽车上,涂着黑漆,故意露出黑色编制花纹的碳纤维组件,开着就是拉风。
 
  纤维材料超轻,柔软的特性,怎么做成坚固的汽车部件的?碳纤维昂贵的价格用在汽车上怎么降低成本?
 
  碳纤维技术最好的是日本和美国,日本是世界上碳纤维生产最大的国家,日本碳纤维产能占世界一半。
 
  1880年爱迪生发明了碳纤维,没错就是那个发明灯泡的爱迪生。在实验灯丝的时候就发现了碳纤维,经过100多年的发展,2010年宝马在i3,i8上使用了碳纤维,开启了碳纤维在汽车上的应用。
 
  作为增强材料的碳纤维和基体材料的树脂组成了碳纤维复合材料。碳纤维用在汽车框架,座椅,机舱盖,传动轴,后视镜等车身上,汽车用碳纤维有几大优势:
 
  轻量化:目前很火的电动汽车,由于受限于电池技术续航里程短成为制约其发展的瓶颈,就只能从车身结构和材料替换上解决。碳纤维复合材料重量比钢轻3/4,比铝轻1/3,最直接的影响是续航里程长,更加的节能。
 
  舒适性:碳纤维的柔软拉伸性能,对整车的噪音振动控制有很好的提升,会大幅提升汽车的舒适性。
 
  可靠性:碳纤维具有更高的疲劳强度,碰撞吸能性好,在减轻车辆重量的同时还能保住强度和安全性,降低了轻量化后带来的安全风险系数。
 
  提高寿命:汽车上一些配件要求耐腐蚀,要经过高温,低寒,烟雾的考验,普通金属件不能保证不同环境下的使用寿命。碳纤维不存在腐蚀和生锈问题,就增强了汽车部件的使用寿命。
 
  碳纤维制造过程
 
  拉丝:把原材料经过加热,它是增强材料:缠绕成型用的增强材料,主要是各种纤维纱:如无碱玻璃纤维纱,中碱玻璃纤维纱,碳纤维纱,高强玻璃纤维纱,芳纶纤维纱及表面毡等。树脂基体,及各种填料。,挤压形成凝胶形状的丝条,塑料纤维是用数千条计的细丝组成。
 

 
  稳定:经过400度加热氧化,使热塑性大分子转换成耐热性结构。使其在高温下不融不燃,保持纤维形状,热力处于稳定状态碳化:加温1千-2千度将非碳原子驱离,随着高温氧化变成黑色,再经过碳化炉碳原子结合在纤维上。
 


 
  石墨化:平行的长丝在经过带电腐蚀表面以便更好的吸收树脂,用几百根纤维组成纤维网,树脂涂布与纤维网同时进入机器内加热树脂吸附在纤维网上,通过挤压树脂渗入到纤维网丝内,冷却后液态树脂就成凝胶状。
 


 
  原理就如同把一张纸完全粘贴成一叠厚厚的纸堆,纸堆就会变得坚固。
 



 
  碳纤维材料的应用
 
  碳纤维复合材料作为一种高大上的材料,其应用领域自然也是比较高端的,包括:航空航天、航海、轨道交通、风电、公共基础设施、医疗和工业设备、体育休闲产品,以及时尚生活用具等领域。以下选取了其中5个领域。
 
  1

  航空航天和国防
 
  预计到2024年,航空航天行业的碳纤维复合材料市场将占据190亿美元的最大份额。军事和商业航空领域的增长将主要推动该领域规模的增长。商用飞机的高碳纤维需求可归因于飞行承受能力的提高,这导致了全球航空客运量的增长。这种客运量的增加将进一步巩固未来几年该领域的优势。

  2

  汽车
 
  2016年,汽车占据了20%以上的显要份额和超过2.5万吨的需求。在汽车行业使用碳纤维复合材料主要归因于碳纤维复合材料基体材料的高效生产而降低了价格。由于价格下降,碳纤维复合材料也可以在未来几年用于中级车。混合动力跑车在它们的i系列热衷采用碳纤维复合材料。2015年大约卖出了2.4万辆i3和5500辆i8,进一步为行业大幅增长做出了贡献。
 
  3

  风能
 
  到2021年,风力涡轮机复合材料市场预计将达到121.7亿美元,2016年至2021年的复合年增长率为9.28%。
 
  用于生产风力涡轮机叶片的碳纤维的需求的增长以及对可再生能源需求的增加正在推动该市场的增长。然而,与碳纤维和环氧树脂等原材料的高成本以及复合材料的可回收性问题相关的问题是阻碍碳纤维复合材料市场增长的因素。
 
  4

  体育&休闲
 
  碳纤维的高强度、高模量和轻质特性使体育运动产品达到了新的性能水平。高尔夫球杆、网球拍、滑雪橇、滑雪板、曲棍球棒、钓鱼竿、棒球棒和自行车的性能都通过碳纤维增强材料得以提高,并且进一步增加体育器械的机会是无穷的。
 
  在体育用品中使用碳纤维的原因不仅在于其轻质和耐用的特性,而且在设计极其特定的应用时也有很大的自由度。2016年该领域碳纤维复合材料需求量为1.5万吨,预计到2022年将达到2.1万吨。
 
  5

  义肢
 
  在美国,下肢截肢是截肢数量中最多的,这导致下肢义肢的碳纤维复合材料的使用量增加。与上肢义肢装置相比,患者个人更关心下肢义肢装置。 根据Amputee Collation的统计数据,大约65%的截肢是下肢截肢的。义肢制造公司正在为下肢义肢提供更多的碳纤维复合材料产品。?ssur、Ottobock、Hanger 公司、The Ohio Willow Wood 公司和Allard USA 公司是一些义肢制造公司,提供碳纤维复合材料的下肢义肢。因此,在北美,用于义肢的碳纤维复合材料的使用量也在增长,从而促进了市场收入的增加。

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