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碳纤维的七大应用领域

  复合材料

  碳纤维在传统使用中除用作绝热保温材料外,多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,构成复合材料。碳纤维已成为先进复合材料最重要的增强材料。由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等特点,已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。

  碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。高性能碳纤维是制造先进复合材料最重要的增强材料。

  土木建筑

  碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强,在铁路建筑中,大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用,这些也将是碳纤维很有前景的应用方面。具有密度小,强度高,耐久性好,抗腐蚀能力强,可耐酸、碱等化学品腐蚀,柔韧性佳,应变能力强的特点。用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶,比钢材轻50%左右,使大型结构物达到了实用化的水平,而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外,碳纤维做补强混凝土结构时,不需要增加螺栓和铆钉固定,对原混凝土结构扰动较小,施工工艺简便。

  航空航天

  碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略基础材料。将碳纤维复合材料应用在战略导弹的弹体和发动机壳体上,可大大减轻重量,提高导弹的射程和突击能力,如美国80年代研制的洲际导弹三级壳体全都采用碳纤维和环氧树脂复合材料。碳纤维复合材料在新一代战斗机上也开始得到大量使用,如美国第四代战斗机F22采用了约为24%的碳纤维复合材料,从而使该战斗机具有超高音速巡航、超视距作战、高机动性和隐身等特性。美国波音推出新一代高速宽体客机的音速巡洋舰,约60%的结构部件都将采用强化碳纤维塑料复合材料制成,其中包括机翼。中国自行研制的碳纤维复合材料刹车预制件性能达到国际水平。采用这一预制件技术所制备的的国产碳刹车盘已批量装备于国防重点型号的军用飞机,并在B757型民航飞机上使用,在其它机型上的使用也在实验考核中,并将向坦克、高速列车、高级轿车、赛车等推广使用。碳纤维比铝轻但强度相似。碳纤维在舰艇上也有重要的应用价值,可减轻舰艇的结构重量,增加舰艇有效载荷,从而提高运送作战物资的能力,碳纤维不存在腐蚀生锈的问题。

  碳纤维还是让大型民用飞机、汽车、高速列车等现代交通工具实现“轻量化“的完美材料。航空应用中对碳纤维的需求正在不断增多,新一代大型民用客机空客A380和波音787使用了约为50%的碳纤维复合材料。波音787的机身采用碳纤维,这使飞机飞得更快,油耗更低,同时能增加客舱湿度,让乘客更舒适。

  汽车材料

  碳纤维材料也成为汽车制造商青睐的材料,在汽车内外装饰中开始大量采用。碳纤维作为汽车材料,最大的优点是质量轻、强度大,重量仅相当于钢材的20%到30%,硬度却是钢材的10倍以上。所以汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展,并带来节省能源的社会效益。业界认为,碳纤维在汽车制造领域的使用量会变大。

  以中科院研发的一辆碳纤维小汽车为例,在普通材质的汽车引擎盖上,榔头用力敲击,漆盖上很有可能会有凹陷,而这辆车的车壳却非常坚固,用力敲击车盖后会迅猛反弹,表面丝毫未损。研究人员表示采用碳纤维复合材料做的汽车,比起普通用钢材制造的汽车的最大特点是轻和快。碳纤维汽车抛弃了传统的钢结构,大量采用碳纤维材料制成,比普通钢材的汽车重量能减少60%。在同样用油情况下,这辆车每小时可以多开50公里。

  碳纤维虽然轻,但有较好的安全性,虽然碳纤维看起来像塑料,但实际上这种材料抗冲击性比钢铁强,特别是用碳纤维做成的方向盘,机械强度和抗冲性更高。在复合材料的配合下,碳纤维汽车成了家用车中的装甲车。

  纤维加固

  碳纤维加固包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种。碳纤维材料用于混凝土结构加固修补的研究始于80年代美、日等发达国家。中国的这项技术起步很晚,但随着中国经济建设和交通事业的飞速发展,现有建筑中有相当一部分由于当时设计荷载标准低造成历史遗留问题,一些建筑由于使用功能的改变,难以满足当前规范使用的需求,亟需进行维修、加固。常用的加固方法有很多,如:加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、碳纤维加固法等。碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截面、粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。

  中国从1997年开始从国外引进碳纤维复合材料加固混凝土结构技术研究,成为了研究和工程应用的热点。国内已有数十个高校和科研院所开展了此项研究工作,并取得了一批接近国际先进水平的研究成果。由于中国具有世界上最为巨大的土木建筑市场,碳纤维加固建筑结构的应用将呈现不断增长的趋势。

  体育用品

  碳纤维运用在运动休闲领域中,像球杆、钓鱼竿、网球拍、羽毛球拍、自行车、滑雪杖、滑雪板、帆板桅杆、航海船体等运动用品都是碳纤维的主要用户之一。

  球棒和球拍框架是体育应用中的重要体现。据估计,每年的球棒的产量为3400万副。全世界40%的球棒都是由碳纤维制成的。网球拍框架的市场容量约为每年600万副,其它的体育项目应用还包括冰球棍、滑雪杖等。碳纤维还应用在划船、赛艇等其它海洋运动中。

  风力发电机叶片

  世界上风力发电机组的发电机额定功率越来越大,与其相适应的风机叶片尺寸也越来越大。为了减少叶片的变形,在主乘力件如轴承和叶片的某些部位采用碳纤维来补充其刚度。碳纤维在风能、核能和太阳能等新能源领域也具有广阔的应用前景。当风力发电机功率超过3MW,叶片长度超过40米时,传统玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限,采用碳纤维复合材料制造叶片是必要的选择。只有碳纤维才能既减轻叶片的重量,又能满足强度和刚度的要求。

责编:丁涛