碳纖維汽車(chē)應用理念(圖)

碳纖維制品生產(chǎn)工藝(圖)

碳纖維復合材料的發(fā)展和應用(圖)

　　一、碳纖維復合材料的發(fā)展和戰略地位

　　碳纖維的出現是材料史上的一次革命。碳纖維是目前世界首選的高性能材料，具有高強度、高模量、耐高溫、抗疲勞、導電、質(zhì)輕、易加工等多種優(yōu)異性能，正逐步征服和取代傳統材料?，F已廣泛應用于航天、航空和軍事領(lǐng)域。世界各國均把發(fā)展高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)放在極其重要的位置。碳纖維除了在軍事領(lǐng)域上的重要應用外，在民品的發(fā)展上有著(zhù)更加廣闊的空間，并已經(jīng)開(kāi)始深入到國計民生的各個(gè)領(lǐng)域。在機械電子、建筑材料、文體、化工、醫療等各個(gè)領(lǐng)域碳纖維有著(zhù)無(wú)可比擬的應用優(yōu)勢。

　　碳纖維是50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要而產(chǎn)生的。80年代期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現，這在技術(shù)上是又一次飛躍，同時(shí)也標志著(zhù)碳纖維的研究和生產(chǎn)已進(jìn)入一個(gè)高級階段。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，碳纖維及其復合材料已從初創(chuàng )期轉入增長(cháng)發(fā)展期，其工業(yè)地位已基本確立，美、日、英、法、德等國的碳纖維產(chǎn)量已經(jīng)占世界產(chǎn)量的絕大部分，并已逐步形成壟斷優(yōu)勢。

　　我國對碳纖維的研究由于起步較晚，技術(shù)力量薄弱，雖然碳纖維及其復合材料在我國已被納入國家“863”和“973”計劃，但總體情況不盡理想，我國仍不具備成熟的碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，國防和民用碳纖維產(chǎn)品基本依賴(lài)進(jìn)口。

　　二、碳纖維復合材料的性能和用途

　　碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過(guò)程中不熔融的人造化學(xué)纖維經(jīng)熱穩定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。其含碳量隨種類(lèi)不同而異，一般90以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著(zhù)的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現出很高的度，且碳纖維比重小。

　　1、碳纖維的化學(xué)性能

　　碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學(xué)性能穩定性極好的物質(zhì)之一。這是歷史上最早就被人類(lèi)認識的碳素材料的特征之一。除強氧化性酸等特殊物質(zhì)外，在常溫常壓附近，幾乎為化學(xué)惰性?？梢哉J為在普通的工作溫度≤250℃環(huán)境下使用，很難觀(guān)察到碳纖維發(fā)生化學(xué)變化。根據有關(guān)資料介紹，從碳素材料的化學(xué)性質(zhì)分析，在≤250℃環(huán)境下，碳素材料既沒(méi)有明顯的氧化發(fā)生，也沒(méi)有生成碳化物和層間化合物生成。由于碳素材料具有氣孔結構，因此氣孔率高達25%左右，在加熱過(guò)程易產(chǎn)生吸附氣體脫氣情況，這樣的過(guò)程更有利于我們穩定電氣性能和在電熱領(lǐng)域的應用。

　　2、碳纖維的物理性能

　　(a)熱學(xué)性質(zhì)：碳素材料因石墨晶體的高度各向異性，而不同于一般固體物質(zhì)與溫度的依存性，從工業(yè)的應用角度來(lái)看，碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類(lèi)而化

　　(b)導熱性質(zhì)：碳素材料熱傳導機理并不依賴(lài)于電子，而是依靠晶格振動(dòng)導熱，因此，不符合金屬所遵循的維德曼—夫蘭茲定律。根據有關(guān)資料介紹，普通的碳素材料導熱系數極高，平行于晶粒方向的導熱系數可與黃銅媲美。

　　(c)電學(xué)性質(zhì)：碳素材料電學(xué)性質(zhì)主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度有關(guān)，石墨的電子能帶結構和載流子的種類(lèi)及其擴散機理決定了上述性質(zhì)。碳素材料這類(lèi)電學(xué)性質(zhì)具有本征半導體所具備的特征，電阻率變化主要與載流子的數量變化有關(guān)。

　　3、碳纖維的主要用途

　　與樹(shù)脂、金屬、陶瓷等基體復合，做成結構材料。碳纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。在剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩定性高的場(chǎng)合，碳纖維復合材料都頗具優(yōu)勢。

　　由碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂結合而成的復合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料。

　　最神奇的應用是采用長(cháng)碳纖維制成的“納米繩”可以將“太空電梯”由理想變?yōu)楝F實(shí)，太空電梯將可以將乘客和各種貨物運送到空間軌道站上，也可以用這種“納米繩”將太空中發(fā)射平臺與地面固定在一起，在這樣的發(fā)射平臺上發(fā)射人造衛星和太空探測器就可以大大降低發(fā)射成本?？偨Y碳纖維復合材料的現實(shí)應用有以下幾個(gè)方面：

　　(1)宇航工業(yè)用作導彈防熱及結構材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層;衛星構架、天線(xiàn)、太陽(yáng)能翼片底板、衛星-火箭結合部件;航天飛機機頭，機翼前緣和艙門(mén)等制件;哈勃太空望遠鏡的測量構架，太陽(yáng)能電池板和無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)。

　　(2)航空工業(yè)用作主承力結構材料，如主翼、尾翼和機體;次承力構件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發(fā)動(dòng)機艙、整流罩及座板等，此外還有c/c剎車(chē)片。

　　(3)交通運輸用作汽車(chē)傳動(dòng)軸、板簧、構架和剎車(chē)片等制件;船舶和海洋工程用作制造漁船、魚(yú)雷快艇、快艇巡邏艇，以及賽艇的桅桿、航桿、殼體及劃水漿;海底電纜、潛水艇、雷達罩、深海油田的升降器和管道。

　　(4)運動(dòng)器材用作網(wǎng)球、羽毛球、和壁球拍及桿、棒球、曲棍球和高爾夫球桿、自行車(chē)、賽艇、釣桿、滑雪板、雪車(chē)等。

　　(5)土木建筑幕墻、嵌板、間隔壁板、橋梁、架設跨度大的管線(xiàn)、海水和水輪結構的增強筋、地板、窗框、管道、海洋浮桿、面狀發(fā)熱嵌板、抗震救災用補強材料。

　　(6)其它工業(yè)化工用的防腐泵、閥、槽、罐;催化劑，吸附劑和密封制品等。生體和醫療器材如人造骨骼、牙齒、韌帶、x光機的床板和膠卷盒。編織機用的劍竿頭和劍竿防靜電刷。其它還有電磁屏蔽、電極度、音響、減磨、儲能及防靜電等材料也已獲得廣泛應用。

　　三、碳纖維復合材料在電線(xiàn)電纜中的應用

　　碳纖維以其固有的特性賦予了其復合材料優(yōu)異的性能，它具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹系數小等一系列優(yōu)異性能，從而為其在電線(xiàn)電纜行業(yè)中的應用提供了可能和必然。

　　(一)碳纖維加熱電纜的開(kāi)發(fā)和應用

　　人們早就知道，以金屬材料為發(fā)熱體的電加熱技術(shù)已在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。但是金屬絲在高溫狀態(tài)下表面易氧化，由于氧化層不斷的增厚，造成了有效通過(guò)電流的面積減小，增大了電流的負荷，因此易燒斷。在相同的允許的電流負荷面積下，金屬絲的強度比碳纖維低6-10倍，在使用過(guò)程中易折斷。

　　碳纖維是一種石墨的六方晶格層狀結構組成，是一種全黑體材料，因此在電熱應用中，表現出來(lái)的電熱轉換效率高。在特定的條件下，高溫不氧化，單位面積的電流的負荷強度和機械強度不發(fā)生改變。

　　目前碳纖維加熱電纜的應用如下：

　　低溫輻射發(fā)熱電纜地板采暖系統。

　　恒溫育雛箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保溫采暖。

　　道路化雪、機場(chǎng)跑道化雪：用于混凝土結構中樓面加熱的理想產(chǎn)品，也可以用在融雪裝置中，對屋面雨水和排水管進(jìn)行防霜，還可以用于土壤加熱。

　　管道、罐體保溫防凍：電伴熱產(chǎn)品近幾年在中國得到了大力的推廣和廣泛的應用。其應用領(lǐng)域主要集中在石油、化工、電力、鐵路和民用或商業(yè)建筑等。隨著(zhù)中國電力工業(yè)的發(fā)展，以清潔、無(wú)二次污染的電能為主要能源的電伴熱產(chǎn)品市場(chǎng)前景非常廣闊，同時(shí)，也為電伴熱產(chǎn)品的性能提出了更高的要求。

　　足球場(chǎng)草坪、公共綠地土壤保溫：太陽(yáng)能熱水器電能補充加熱器，主要用于在長(cháng)期陰雨天或寒冬季節，因光照不足而導致太陽(yáng)能熱水器水溫不能滿(mǎn)足生活、工程需要時(shí)，為補充熱能而設計的。它具有較強的耐酷暑、嚴寒和高溫潮濕環(huán)境的性能，并具有防干燒的功能。即使偶爾水箱缺水誤通電，也不至于燒壞電加熱器和水箱，故能確保安全使用。

　　(二)碳纖維復合芯導線(xiàn)的開(kāi)發(fā)和應用

　　我國是個(gè)缺電的國家，不僅發(fā)電業(yè)的發(fā)展滯后，輸電業(yè)的弊端也凸現出來(lái)，輸電線(xiàn)路已不堪承受傳輸容量快速擴容的需求，由于過(guò)負荷造成的停電、斷電故障頻頻發(fā)生，電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，各國均在研究新型架空輸電路用導線(xiàn)，以取代傳統的鋼芯鋁絞線(xiàn)，碳纖維復合芯導線(xiàn)由此應運而生。與鋼芯鋁絞線(xiàn)相比，碳纖維復合芯導線(xiàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1、和同樣直徑的acsr電纜相比，可以提供雙倍的載流容量。

　　2、有效解決電纜下垂問(wèn)題。

　　3、可以在更高的溫度下工作，最高可達200攝氏度。

　　4、線(xiàn)芯可以抗腐蝕，而且沒(méi)有雙金屬間腐蝕問(wèn)題。

　　5、因為可以提供更高的載流容量，所以同時(shí)也有效的降低了工程成本。

　　6、與相同直徑傳統電纜相比可以多容納28%的導體。

　　7、高強度線(xiàn)芯可以有效減少電纜架的數量，或降低電纜架的高度。

　　8、有效減少電纜下垂，使地面生物更加安全。

　　除了上述提及的優(yōu)點(diǎn)外，還可減少傳輸中電力的損耗，減少20%的塔桿，節省用地，減少有色金屬資源消耗，有助于構造安全、環(huán)保、高效節約型輸電網(wǎng)絡(luò )。目前世界上只有美國和日本開(kāi)發(fā)出這種新型導線(xiàn)，他們還達成默契：不向第三國輸出，日本一家碳纖維導線(xiàn)企業(yè)的產(chǎn)量就占到世界40%左右。目前我國電線(xiàn)電纜研究所、電力建筑研究院以及國家電網(wǎng)有限公司都已經(jīng)開(kāi)始了對accc導線(xiàn)的試驗研究工作。國內電纜廠(chǎng)家也加大與外方合作，將這種新型電纜引進(jìn)到中國生產(chǎn)，積極推動(dòng)我國架空輸電線(xiàn)路的技術(shù)革命。最近福建電網(wǎng)已經(jīng)將該新型導線(xiàn)架設運行。

　　(三)在高低溫、腐蝕等苛刻環(huán)境應用的可能碳纖維細如蛛絲，三型碳纖維比強度是鋼的62倍以上，成形工藝性好，是一代新型工程材料，其彈性量高，抗變性能力比鋼大2倍多，抗拉強度30～40t/cm2pa,而比重還不到鋼的四分之一，是鋁合金的二分之一，高彈模量比鋼鐵大16倍，比鋁合金大12倍。且碳纖維比鋼等柔軟。因此，碳纖維可用于要求能承重、不易損傷內部元件的電纜的加強芯，如海底光纜等。

　　碳纖維可以耐-180℃的低溫，在此條件下，許多材料都變的很脆，連堅固的鋼鐵也變的比玻璃還容易碎，而碳纖維在此條件下依舊很柔軟。因此，碳纖維復合芯可用于極地(如南極考察研究等)條件下輸電載體的設計和制造。碳纖維又可以耐3000℃～3500℃的高溫，在此高溫下最好的耐熱鋼也變成鋼水，但在沒(méi)有氧氣的情況下，碳纖維沒(méi)有變化。

　　碳纖維即使從3000℃的高溫快速冷卻到室溫也不會(huì )炸裂，因而可在急冷急熱的環(huán)境中工作。這為鋼鐵、冶金、鍋爐等行業(yè)中高溫特高溫場(chǎng)合電纜的設計提供了可能。此外，碳纖維紗、碳纖維繩、碳纖維布都可用于消防電纜產(chǎn)品的設計選用。

　　碳纖維有超強的耐腐蝕性。金屬中耐腐蝕性最強的是黃金和鉑，在一份硝酸(濃%)和三份硫酸(濃度39%)配成的稱(chēng)“王水”的溶液中黃金、鉑會(huì )被腐蝕的千瘡百孔，而“王水”中的碳纖維卻安然無(wú)恙。為各種化學(xué)環(huán)境下輕型耐化學(xué)腐蝕電纜的設計提供了新的思路。

　　四、發(fā)展建議

　　碳纖維材料的產(chǎn)業(yè)化是實(shí)現碳纖維導線(xiàn)在國內輸電行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化的前提和保證。碳纖維材料價(jià)格則是制約產(chǎn)業(yè)化應用的關(guān)鍵。

　　我國從八十年代初期開(kāi)始起步，加大了對碳纖維材料的研究和開(kāi)發(fā)力度，并也著(zhù)力于碳纖維材料產(chǎn)業(yè)化基地的建設，但由于國外設備、技術(shù)封鎖，至今未見(jiàn)重大突破，產(chǎn)品質(zhì)量不穩定性，預計今后每年至少一萬(wàn)噸的缺口。

　　2000年前碳纖維材料的價(jià)格水平為5萬(wàn)美圓/噸左右，比鋁的價(jià)格要高20倍多。但是近兩年，由于國際政治形勢和軍事格局的變化，碳纖維材料價(jià)格受其影響，大幅度上升。這無(wú)疑都將對我國現代化的建設成本形成巨大的壓力和負擔。最近，我國福建電網(wǎng)從美國復合材料工程公司(ctc)購置了60公里accc導線(xiàn)(鋁導體復合芯架空導線(xiàn))應用在福建省廈門(mén)和福州電網(wǎng)中，其價(jià)格水平為15萬(wàn)元人民幣/公里。這比我們一直使用的鋼芯鋁絞線(xiàn)的價(jià)格要高幾倍。

　　各科研院所應進(jìn)一步加大碳纖維材料的基礎應用研究和開(kāi)發(fā)，建立我國自主知識產(chǎn)權，實(shí)現碳纖維材料的質(zhì)量穩定，降低成本。同時(shí)要采用國家投入和民間投入相結合的方式，加大碳纖維在航天和軍工以外的民品應用，有助于碳纖維產(chǎn)業(yè)的健康持續發(fā)展。

　　最近，我國國內碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨重大機遇。遼寧圣華科技有限公司落戶(hù)撫順經(jīng)濟開(kāi)發(fā)區后，可以把現有撫順部分企業(yè)培育成碳纖維及復合材料的龍頭企業(yè)，發(fā)揮其帶動(dòng)和輻射功能，把撫順建設成為全國碳纖維研發(fā)基地和產(chǎn)業(yè)基地。

　　目前我國電線(xiàn)電纜研究所、電力建筑研究院以及國家電網(wǎng)有限公司都已經(jīng)開(kāi)始了對accc導線(xiàn)的試驗研究工作。希望國內同行積極研究和開(kāi)發(fā)，為加快碳纖維復合材料在我國線(xiàn)纜行業(yè)應用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展共同努力。

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