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碳纤维材料的神奇之处,为什么称为“新材料之王”

发表时间:2023-10-20 13:39:13  作者:超级管理员 阅读数:290

  碳纤维是新型材料的一种,展现出了非常优异的高性能性,被称为“新材料之王”“黑色黄金”。现如今非常多的领域中都有其身影,小到钱夹、鱼杆,大到高铁、飞机、卫星都是碳纤维大展身手应用的领域。从20世纪80年代开始,我国大力开展碳纤维技术研发,近年来取得非常显著的成果,完成了大丝束高性能碳纤维的生产,使得我国成功跻身宇航级碳纤维技术的国家。并且在国内的航空航天等高性能行业领域中成功的完成碳纤维制品的生产。本文就带大家更深度的了解碳纤维材料的神奇之处。

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  碳纤维的神奇之处

  第一是细如发丝,细如发丝其实表达都不够,碳纤维直径只有5-8微米,大概是头发丝的十分之一,这给碳纤维带来了更多可能性,能够多丝束整合,带来更高的性能优势。

  第二是轻如鸿毛,碳纤维丝密度很低,只有1.6g/cm3,是钢的五分之一、钛的五分之二、铝的五分之三。这在轻量化应用上面,能够起到非常好的效果,实际的应用上,比如一辆碳纤维自行车,重量只有5kg,一个女性就能轻松提起来。包括碳纤维应用的担架、行李箱产品也能够变得更轻松,那对于飞机、汽车来说,就为碳环保、能耗降低了非常多,同时在降低自重的情况下,又能够使得性能得到非常好的提升。

  第三是强如钢铁,在碳纤维材料制品的应用上面,更多的就是取缔传统的钢铁产品,碳纤维材料的强度非常高,轴向强度可以达到钢材的八倍。更高模量的碳纤维丝束,一束12K的碳纤维可以轻松承受130kg的重量。

  第四是稳如磐石,碳纤维具有良好的耐腐蚀性能。碳纤维可以耐受各种酸、碱、油等腐蚀介质,甚至在海洋环境下也能表现出较好的抗腐蚀性能,超过了黄金和白金。这使得碳纤维在航空航天、海洋工程等领域中具有广泛应用的潜力,可以延长产品的使用寿命。它的膨胀系数接近0,在负100摄氏度到正100摄氏度之间,它的尺寸基本保持不变。具有非常好的抗疲劳性。

  第五是耐温如岩,碳纤维本身就是在经过几千摄氏度下提炼出来,含碳量高达90%以上的无机纤维,使其在高温环境下依然保持稳定,可承受高达3000摄氏度的温度而不受损。这使得碳纤维在航空航天、能源等领域中扮演着重要角色,能够应对极端条件下的工作要求。(制作成为产品需要看其基体的耐高温性。)

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  碳纤维的高性能应用

  众所周知,碳纤维是新能源、节能环保、高端装备制造、新能源汽车等战略性新兴产业发展的基础,也是重大基础设施建设的新型结构材料,更是大型飞机、卫星、船舶等装备研制和更新换代的重要基础。

  2017年之前,我国的碳纤维以进口为主,自2017年始,国产碳纤维产能扩张加速。2019年,中国碳纤维产量首次超过万吨,之后便开始一路狂飙。2021年,中国大陆的碳纤维产能首次超过美国,并成为世界上最大的碳纤维生产国,2022年中国碳纤维的国产化率首次超过一半。当前中国碳纤维市场已占全球55.1%的份额,具有举足轻重的地位。短短几年时间,中国碳纤维行业就实现了国外60年的发展。

  第一,高性能需求领域,航空航天领域就是碳纤维复合材料重要的应用领域,中国已经成为世界上第三个自主拥有卫星导航系统的国家,在这方面碳纤维是功不可没的。北斗卫星,看起来就像一座房子带着两只翅膀,它的房子和翅膀都是用碳纤维复合材料做的。

  首先,卫星要装足够多的仪器设备,要求它的结构重量比要小于5%,所以必须用碳纤维;其次,卫星的天线、相机等设备要求很高的精度,要解决热变形的问题,碳纤维正好有这方面的优势,所以现在包括北斗卫星在内的高性能卫星都是碳纤维复合材料化的卫星。

  第二,日常生活领域,你比如体育竞技领域上,碳纤维在体育器材上已经应用广泛。碳纤维的网球拍现在已经成为冠军选手必备的装备。用碳纤维制作的网球拍,最高球速可以达到每小时将近250公里,但是高性能的铝合金网球拍只能达到每小时200公里左右,速度提高了20%以上。刚刚退役的网球运动员费德勒,就是用Pro staff这种碳纤维网球拍获得了20届大满贯的冠军。

  第三,之后高性能工业革命应用,碳纤维将是第四次工业革命一个重要物质支撑。即将到来的星际航行、清洁能源和人工智能时代,碳纤维也将大有作为。人类要进入宇宙空间,要探索月球,要进行载人登月,要探测火星,也有可能要进行载人火星探测,要探索其他行星和小行星。无论进入宇宙空间到驻留宇宙空间,再到探索宇宙空间,包括今后建立宇宙空间的科考站,碳纤维都是不可或缺的。

  你包括之后的物联网时代,智能化机器人将会在更多领域中得到应用,那这些智能化机器人在实际的应用中,对于自身的结构重量就要求比较高,要更轻的质量才能更好的完成续航,也能够快速响应。以及热塑性碳纤维的研发如火如荼,更高性能表现下的碳纤维复合材料将会在越来越多的领域中起到非常好的重要的作用。

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