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科普专栏 / Information

碳纤维及复合材料

一、碳纤维

碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。

碳纤维具有许多优良性能,轴向强度和模量高,密度低、比性能高,无蠕变,非氧化环境下耐超高温,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小且具有各向异性,耐腐蚀性好,X射线透过性好等。

近年,在国家政策扶持下,我国碳纤维行业在关键技术、装备、产业化生产及下游应用等方面均取得重大进展,千吨级工业化装置陆续建成并投产,初步建立了从原丝、碳纤维到复合材料及制品全产业链,实现了从无到有的转变。随着我国工业快速发展,国内碳纤维年消费量不断攀升。2008年,我国碳纤维需求量为2995.1吨。2010年达到4240.6吨,同比增长17.4%。2012年我国碳纤维需求量为6000吨,同比增长18.6%。

二、碳纤维复合材料

《中国碳纤维市场发展研究及投资前景报告》显示,高性能碳纤维复合材料产业在我国具有广阔的应用前景。针对我国能源、资源、环境、制造、交通等国民经济支柱产业对高性能结构材料的迫切需求,研制出满足航空航天、高速轨道交通、大型风力发电装备等所需的碳纤维复合材料,不仅将为我国重大工程建设和重大装备制造提供技术保障,而且将为我国从材料大国转变为材料强国奠定坚实的基础。

1、碳纤维车架

碳纤维自行车主要是中高档的竞赛用自行车,作为新兴材料,碳纤维主要应用于车架(碳架)、前叉、轮组(碳刀车圈)等。

碳纤维车架具有三个明显的特征:(1)重量轻,碳纤维车架是把碳纤维对着发生应力的方向层层叠而得到强度。碳纤维车架非常轻,是由低的密度和强的拉伸强度构成;(2)冲击吸收性好,碳纤维用来制作残疾者运动时用的假腿,或者特殊的弹簧等被用在各领域。利用它的吸收冲击力优异的性能,制作不用避震器的自行车;(3)可塑性强,制造各种形状的车架。

2、碳纤维飞机

碳纤维复合材料在民用飞机上的应用被特别看好,目前新增产能均以满足航空需要的高性能碳纤维及复合材料为主,未来5~10年内碳纤维复合材料在民用飞机上的应用也将高速成倍增长。据统计,2008~2010年世界航空航天领域对碳纤维复合材料的总需求为2.4万吨,预测2018年碳纤维复合材料的需求将达到2万吨。随着我国军用飞机、支线飞机ARJ21及大型商用客机C919项目的开展和我国航天事业的发展,碳纤维复合材料的用量将会不断增长。国内航空运输市场的快速发展将对民用飞机产生巨大需求,预计到2023年,中国客货运输飞机拥有量将达到2769架。飞机制造业的发展将需要很多高性能的碳纤维增强飞机蒙皮铝合金材料。面对国内和国际两个市场,将发展形成巨大的产业。

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