我們都知道碳纖維是一種力學性能優(yōu)異的新材料,它的比重不到鋼的四分之一,而碳纖維樹脂復合材料抗拉強度卻是鋼的7至9倍,抗拉彈性模量也鋼高出很多。理論上來講,材料的比強度愈高,則構件自重愈小,比模量愈高,則構件的剛度愈大。在這個點上就已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景。但是又因為碳纖維的價格昂貴導致普及率低,國內(nèi)企業(yè)的技術也有待加強,所以碳纖維在我國的發(fā)展道路還很漫長。
碳纖維應用前景廣闊
高科技領域:由于碳纖維復合材料密度低、剛性好合強度高,成為一種先進的航天材料。
飛機和汽車制造:碳纖維材料現(xiàn)在也成為汽車制造商青睞的材料,在汽車內(nèi)外裝飾中開始大量采用。碳纖維作為汽車材料,最大的優(yōu)點是質(zhì)量輕、強度大,重量僅相當于鋼材的20%~30%,硬度卻是鋼材的10倍以上。所以汽車制造采用碳纖維材料可以使汽車的輕量化取得突破性進展,并帶來節(jié)省能源的社會效益。
體育休閑用品:體育應用中的三項重要應用為高爾夫球棒、釣魚桿和網(wǎng)球拍框架。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、沖浪和其它的海洋運動項目中。
碳纖維加固建筑結構:我國從1997年開始從國外引進碳纖維復合材料加固混凝土結構技術,并開始進行相關研究。由于其巨大的技術優(yōu)勢,近幾年成為了研究和工程應用的熱點。國內(nèi)已有數(shù)十個高校和科研院所開展了此項研究工作,并取得了一批接近國際先進水平的研究成果。
碳纖維復合材料抽油桿:有關數(shù)據(jù)表明,至2008年有8%~10%更新或新增的抽油桿用碳纖維復合材料抽油桿取代,共需碳纖維320~420t。預測至2010年如果按15%的取代量計算,則碳纖維消耗量可達624t。
風力發(fā)電機葉片:世界上風力發(fā)電機組的發(fā)電機額定功率越來越大,與其相適應的風機葉片尺寸也越來越大。為了減少葉片的變形,在主乘力件如軸承和葉片的某些部位采用碳纖維來補充其剛度。
其他應用:碳纖維的應用還包括機器部件、家用電器、微機及與半導體相關的設備的復合材料的生產(chǎn),可以用來起到加強、防靜電和電磁波防護的作用。另外,在X射線儀器市場上,碳纖維的應用可以減少人體在X 射線下的暴露。
普及率低 需克服造價高問題
然而,碳纖維的最大缺點是價格相對昂貴,是鐵的數(shù)倍到數(shù)十倍,所以在我國普及率低。從工業(yè)生產(chǎn)的角度,碳纖維在紡絲之后,需要經(jīng)過多次牽伸,包括沸水牽伸,高溫蒸汽牽伸,干燥致密化等能耗比較高,聚合紡絲階段的成本占總成本的一半。另外耐火化過程和碳化過程,需要高溫,全天24小時不間斷開爐,能耗非常高。對于T300級別的碳纖維,其生產(chǎn)成本是50-80元/kg。但由于國內(nèi)企業(yè)大部分沒有掌握核心技術,生產(chǎn)過程中碳纖維性能一致性太差,廢品率太高,成本是國外的2-3倍。而對于高強度的碳纖維或者高模量的碳纖維,對產(chǎn)品的一致性要求更高,一桶水的高度取決最矮的擋板,而1000桶水的高度取決于每一桶水最矮的擋板。以上還僅僅是碳纖維絲的成本,在碳纖維制作成零件過程中,還需要跟基體復合,因此產(chǎn)品的價格又加一倍。
所以,碳纖維制品價格要想親民,從以下方面著手,大絲束、使用新技術耐火化設備、使用新技術碳化設備、油劑創(chuàng)新。只有成本親民了,民用才會推廣開來,這樣,碳纖維的價格整體會下降好幾個臺階,碳纖維行業(yè)也會進入快速發(fā)展通道。
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