我们都知道碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的四分之一,而碳纤维树脂复合材料抗拉强度却是钢的7至9倍,抗拉弹性模量也钢高出很多。理论上来讲,材料的比强度愈高,则构件自重愈小,比模量愈高,则构件的刚度愈大。在这个点上就已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。但是又因为碳纤维的价格昂贵导致普及率低,国内企业的技术也有待加强,所以碳纤维在我国的发展道路还很漫长。
碳纤维应用前景广阔
高科技领域:由于碳纤维复合材料密度低、刚性好合强度高,成为一种先进的航天材料。
飞机和汽车制造:碳纤维材料现在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%~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。
体育休闲用品:体育应用中的三项重要应用为高尔夫球棒、钓鱼杆和网球拍框架。其它的体育项目应用还包括冰球棍、滑雪杖、射箭和自行车,同时,碳纤维还应用在划船、赛艇、冲浪和其它的海洋运动项目中。
碳纤维加固建筑结构:我国从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,并开始进行相关研究。由于其巨大的技术优势,近几年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。
碳纤维复合材料抽油杆:有关数据表明,至2008年有8%~10%更新或新增的抽油杆用碳纤维复合材料抽油杆取代,共需碳纤维320~420t。预测至2010年如果按15%的取代量计算,则碳纤维消耗量可达624t。
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。
其他应用:碳纤维的应用还包括机器部件、家用电器、微机及与半导体相关的设备的复合材料的生产,可以用来起到加强、防静电和电磁波防护的作用。另外,在X射线仪器市场上,碳纤维的应用可以减少人体在X 射线下的暴露。
普及率低 需克服造价高问题
然而,碳纤维的最大缺点是价格相对昂贵,是铁的数倍到数十倍,所以在我国普及率低。从工业生产的角度,碳纤维在纺丝之后,需要经过多次牵伸,包括沸水牵伸,高温蒸汽牵伸,干燥致密化等能耗比较高,聚合纺丝阶段的成本占总成本的一半。另外耐火化过程和碳化过程,需要高温,全天24小时不间断开炉,能耗非常高。对于T300级别的碳纤维,其生产成本是50-80元/kg。但由于国内企业大部分没有掌握核心技术,生产过程中碳纤维性能一致性太差,废品率太高,成本是国外的2-3倍。而对于高强度的碳纤维或者高模量的碳纤维,对产品的一致性要求更高,一桶水的高度取决最矮的挡板,而1000桶水的高度取决于每一桶水最矮的挡板。以上还仅仅是碳纤维丝的成本,在碳纤维制作成零件过程中,还需要跟基体复合,因此产品的价格又加一倍。
所以,碳纤维制品价格要想亲民,从以下方面着手,大丝束、使用新技术耐火化设备、使用新技术碳化设备、油剂创新。只有成本亲民了,民用才会推广开来,这样,碳纤维的价格整体会下降好几个台阶,碳纤维行业也会进入快速发展通道。
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