碳纖維材料的神奇之處,為什么稱(chēng)為“新材料之王”

日期:2023-10-20 16:28閱讀次數:

  碳纖維是新型材料的一種,展現出了非常優(yōu)異的高性能性,被稱(chēng)為“新材料之王”“黑色黃金”,F如今非常多的領(lǐng)域中都有其身影,小到錢(qián)夾、魚(yú)桿,大到高鐵、飛機、衛星都是碳纖維大展身手應用的領(lǐng)域。從20世紀80年代開(kāi)始,我國大力開(kāi)展碳纖維技術(shù)研發(fā),近年來(lái)取得非常顯著(zhù)的成果,完成了大絲束高性能碳纖維的生產(chǎn),使得我國成功躋身宇航級碳纖維技術(shù)的國家。并且在國內的航空航天等高性能行業(yè)領(lǐng)域中成功的完成碳纖維制品的生產(chǎn)。本文就帶大家更深度的了解碳纖維材料的神奇之處。

  碳纖維的神奇之處

  第一是細如發(fā)絲,細如發(fā)絲其實(shí)表達都不夠,碳纖維直徑只有5-8微米,大概是頭發(fā)絲的十分之一,這給碳纖維帶來(lái)了更多可能性,能夠多絲束整合,帶來(lái)更高的性能優(yōu)勢。

  第二是輕如鴻毛,碳纖維絲密度很低,只有1.6g/cm3,是鋼的五分之一、鈦的五分之二、鋁的五分之三。這在輕量化應用上面,能夠起到非常好的效果,實(shí)際的應用上,比如一輛碳纖維自行車(chē),重量只有5kg,一個(gè)女性就能輕松提起來(lái)。包括碳纖維應用的擔架、行李箱產(chǎn)品也能夠變得更輕松,那對于飛機、汽車(chē)來(lái)說(shuō),就為碳環(huán)保、能耗降低了非常多,同時(shí)在降低自重的情況下,又能夠使得性能得到非常好的提升。

  第三是強如鋼鐵,在碳纖維材料制品的應用上面,更多的就是取締傳統的鋼鐵產(chǎn)品,碳纖維材料的強度非常高,軸向強度可以達到鋼材的八倍。更高模量的碳纖維絲束,一束12K的碳纖維可以輕松承受130kg的重量。

  第四是穩如磐石,碳纖維具有良好的耐腐蝕性能。碳纖維可以耐受各種酸、堿、油等腐蝕介質(zhì),甚至在海洋環(huán)境下也能表現出較好的抗腐蝕性能,超過(guò)了黃金和白金。這使得碳纖維在航空航天、海洋工程等領(lǐng)域中具有廣泛應用的潛力,可以延長(cháng)產(chǎn)品的使用壽命。它的膨脹系數接近0,在負100攝氏度到正100攝氏度之間,它的尺寸基本保持不變。具有非常好的抗疲勞性。

  第五是耐溫如巖,碳纖維本身就是在經(jīng)過(guò)幾千攝氏度下提煉出來(lái),含碳量高達90%以上的無(wú)機纖維,使其在高溫環(huán)境下依然保持穩定,可承受高達3000攝氏度的溫度而不受損。這使得碳纖維在航空航天、能源等領(lǐng)域中扮演著(zhù)重要角色,能夠應對極端條件下的工作要求。(制作成為產(chǎn)品需要看其基體的耐高溫性。)

  碳纖維的高性能應用

  眾所周知,碳纖維是新能源、節能環(huán)保、高端裝備制造、新能源汽車(chē)等戰略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎,也是重大基礎設施建設的新型結構材料,更是大型飛機、衛星、船舶等裝備研制和更新?lián)Q代的重要基礎。

  2017年之前,我國的碳纖維以進(jìn)口為主,自2017年始,國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)能擴張加速。2019年,中國碳纖維產(chǎn)量首次超過(guò)萬(wàn)噸,之后便開(kāi)始一路狂飆。2021年,中國大陸的碳纖維產(chǎn)能首次超過(guò)美國,并成為世界上最大的碳纖維生產(chǎn)國,2022年中國碳纖維的國產(chǎn)化率首次超過(guò)一半。當前中國碳纖維市場(chǎng)已占全球55.1%的份額,具有舉足輕重的地位。短短幾年時(shí)間,中國碳纖維行業(yè)就實(shí)現了國外60年的發(fā)展。

  第一,高性能需求領(lǐng)域,航空航天領(lǐng)域就是碳纖維復合材料重要的應用領(lǐng)域,中國已經(jīng)成為世界上第三個(gè)自主擁有衛星導航系統的國家,在這方面碳纖維是功不可沒(méi)的。北斗衛星,看起來(lái)就像一座房子帶著(zhù)兩只翅膀,它的房子和翅膀都是用碳纖維復合材料做的。

  首先,衛星要裝足夠多的儀器設備,要求它的結構重量比要小于5%,所以必須用碳纖維;其次,衛星的天線(xiàn)、相機等設備要求很高的精度,要解決熱變形的問(wèn)題,碳纖維正好有這方面的優(yōu)勢,所以現在包括北斗衛星在內的高性能衛星都是碳纖維復合材料化的衛星。

  第二,日常生活領(lǐng)域,你比如體育競技領(lǐng)域上,碳纖維在體育器材上已經(jīng)應用廣泛。碳纖維的網(wǎng)球拍現在已經(jīng)成為冠軍選手必備的裝備。用碳纖維制作的網(wǎng)球拍,最高球速可以達到每小時(shí)將近250公里,但是高性能的鋁合金網(wǎng)球拍只能達到每小時(shí)200公里左右,速度提高了20%以上。剛剛退役的網(wǎng)球運動(dòng)員費德勒,就是用Pro staff這種碳纖維網(wǎng)球拍獲得了20屆大滿(mǎn)貫的冠軍。

  第三,之后高性能工業(yè)革命應用,碳纖維將是第四次工業(yè)革命一個(gè)重要物質(zhì)支撐。即將到來(lái)的星際航行、清潔能源和人工智能時(shí)代,碳纖維也將大有作為。人類(lèi)要進(jìn)入宇宙空間,要探索月球,要進(jìn)行載人登月,要探測火星,也有可能要進(jìn)行載人火星探測,要探索其他行星和小行星。無(wú)論進(jìn)入宇宙空間到駐留宇宙空間,再到探索宇宙空間,包括今后建立宇宙空間的科考站,碳纖維都是不可或缺的。

  你包括之后的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,智能化機器人將會(huì )在更多領(lǐng)域中得到應用,那這些智能化機器人在實(shí)際的應用中,對于自身的結構重量就要求比較高,要更輕的質(zhì)量才能更好的完成續航,也能夠快速響應。以及熱塑性碳纖維的研發(fā)如火如荼,更高性能表現下的碳纖維復合材料將會(huì )在越來(lái)越多的領(lǐng)域中起到非常好的重要的作用。

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