浅论应用碳纤维的领域

GuangzhouChemicalIndustry

Vol郾46No郾20Oct郾2018

浅论应用碳纤维的领域

徐摇硕1,王摇卓2,王亚平1,李志娟1

(1烟台大学文经学院,山东摇烟台摇264003;2烟台大学,山东摇烟台摇264003)

摘摇要:碳纤维是一种高性能的纤维增强体材料。发展到目前阶段,碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是最先进的复合材

料。目前,碳纤维主要应用在航天领域、航空领域、汽车、体育休闲四大领域,其中航天领域应用聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维较为普遍;航空领域应用PAN基碳纤维较为普遍;汽车领域应用碳纤维种类多样;体育休闲领域应用树脂基碳纤维较为普遍。

关键词:碳纤维;航空领域;航天领域;汽车领域;体育领域摇

中图分类号:TQ340郾79

摇文献标志码:A

文章编号:1001-9677(2018)20-0029-02

DiscussiononSpecificApplicationofCarbonFiber

XUShuo1,WANGZhuo2,WANGYa-ping1,LIZhi-juan1

(1WenjingCollegeofYantaiUniversity,ShandongYantai264003;

2YantaiUniversity,ShangdongYantai264003,China)

Abstract:Carbonfiberisahigh-performancefiber-reinforcedbodymaterial郾Atthecurrentstageofdevelopment,carbonfiberreinforcedresinmatrixcomposites(CFRP)arethemostadvancedcompositematerials郾Atpresent,carbonfiberismainlyusedinaerospace,aerospace,automotive,sportsandleisure郾Intheaerospacefield,acrylonitrile-basedcarbonfiber,pitch-basedcarbonfiberandviscose-basedcarbonfiberarewidelyused,aviation-basedapplicationsofPAN-basedcarbonfiberarecommon郾Theapplicationofcarbonfiberintheautomotivefieldisdiverse,andtheapplicationofresin-basedcarbonfiberinsportsandleisureiscommon郾

Keywords:carbonfiber;aviationsector;aerospacefield;automotivefield;sportsfield

碳纤维的发明最早起源于美国(大丝束为主),碳纤维技术成熟于日本(小丝束为主)。碳纤维主要应用于航空领域(卫星结构),航天领域(民航客机),汽车领域(汽车骨架),体育领域等较为高端产业的领域。在21世纪材料世界中,碳纤维材料因其高比模量,高比强度等优良特性被称作是一匹“黑马冶,又是一个“潜力股冶。在轻量化技术领域选材中,碳纤维材料已成为首选材料。

碳纤维是一种高性能的纤维材料,结构取决于原丝结构和碳化工艺,具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能,同时,碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、高比吸能(有效破坏长度内单位质量吸收的能量)等优异的综合力学性能,其质轻的特点,使其成为一种不可或缺的替代材料。现阶段,碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是最先进的复合材料[1]。

空发展是相辅相成的[2]。

高性能碳纤维材料具有高比模量,高比强度,耐高温,耐腐蚀,耐磨擦以及吸收波的性能优异,隔音,隔热,易成形易加工等特性,因此与航空领域契合程度极高,满足航空领域对材料的较高要求,所以在航空领域中制造的航空发动机,卫星和航空飞行器,导弹导流罩,运载火箭导流罩,精密支撑结构件等领域中,碳纤维材料得到了广泛的应用。除此之外在航空领域中的光学镜体也应用了碳纤维材料[3]。

其中所应用的主要碳纤维及其性能:

(1)聚丙烯腈基碳纤维的拉伸强度(>3000MPa),密度(1郾76~1郾94g/cm3),拉伸弹性模量(>207GPa);

1摇航空领域

(2)沥青基碳纤维的拉伸强度(1600MPa),密度(1郾7g/cm3),拉伸弹性模量(379GPa);

(3)粘胶基碳纤维的拉伸强度(2100~2800MPa),密度(2g/cm3),拉伸弹性模量(441~552GPa)。

2摇航天领域

自20世纪60年代碳纤维材料诞生后,20世纪80年代碳纤维应用在航空领域以后,发展速度迅速增长。虽然碳纤维最初在美国被发现,但是紧接着日本也开始研究碳纤维,一直到今天为止很不客气的讲日本的碳纤维制造技术不逊于美国的技术,甚至在小丝束的方面已经赶超了美国[4]。

高性能复合材料在航空领域占有不可替代的作用,进入21世纪以来,全球航空事业的发展速度是令人震惊的,是不可思议的。航空领域体现的是各种复杂技术的应用程度和各种材料的研发及应用程度,其中新材料的相继问世大大促进了航空事业的发展,同时也制约着航空事业的发展,因此材料研究与航

摇30广摇州摇化摇工2018年10月

据统计,民航客机例如:空客A380,波音787以及中国的C919应用高性能碳纤维的质量所占比例已经达到了20%~30%。高性能碳纤维因具有质量轻,高比强度,高比刚度等特性,在机身轻量化研究中占有绝对的优势地位。高性能碳纤维在航天领域以民航客机为代表的应用发展过程可分为以下几个阶段[5]:

(1)以小型零件为主的试验阶段:油箱盖,雷达盖,扰流板等小型零件,次要零件为主。

(2)以中型零部件为主的应用阶段:尾翼,机翼,方向舵,起落架等中型零部件开始应用。

(3)以中大型零部件为主的成熟阶段:机舱,机身等大型零部件在民航客机上的应用已经发挥了巨大作用[6],我国4郾3摇碳纤维网球拍

性能。其次碳纤维的自行车具有很好的冲击韧性,吸收性能好,以此达到避震,减震的效果。最后碳纤维易成形,可被加工成各式各样的造型,例如TREK的Y车架[12]。

碳纤维材料的网球拍已经在各大比赛中常见的材料,因其质量轻,强度高,可机动性能优异,耐久性好而倍受网球运动员喜爱。在2016年,西班牙的EnebePadal公司发行了一款TeXtreme碳纤维网球拍“SpitfireTeXtreme冶,此款球拍使用碳纤维材料制成,其各方面性能大大提高,已满运动员和比赛要求。

5摇结摇语

3摇C919汽车领域

客机使用PAN基碳纤维材料已超过15%[7]。

碳纤维材料(CFRP)的最大潜在市场当之无愧是在未来的汽车领域,据资料统计,到2020年中国的新能源汽车产量将达到500万辆,随着碳纤维材料制备技术的成熟,未来汽车领域将会发生巨大的变化,不仅是由于碳纤维材料的推广和应用成熟,还存在着其他一些原因,例如新能源(纯电动或其它清洁能源)的诞生等方面。使得燃油车(汽油车或柴油车)遭到了很大的挑战,如果传统汽车制造商不进行创新和改革必将必被取代,甚至被所在领域淘汰掉的可能性都很大[8-9]在减轻汽车质量,节约汽车能源,降低能源消耗。

,增大汽车的续航能力等一系列方面的问题的解决,目前来讲使车身轻量化是主要的解决手段之一。那么在其中轻量化的材料选择中,碳纤维材料没有疑问一定是最受欢迎的。

另外,据资料显示整体式碳纤维材料结构已经在纯电动车上应用和检测,并且经过多方面的实验和检测取得了较多项令人满意的成绩。其中包括耐久性测试,低温脆性测试等都取得不错的进展。

强者总是不约而同的符合时代的需要,目前世界范围内使用碳纤维材料的汽车公司所占比例正在逐年递增。例如美国的福特,宝马的3系和7系,奥迪等知名品牌企业都在使用碳纤维材料。具体已经应用部件可以分为两种:承重构件和外部覆盖构件。承重构件:汽车的A和B柱,顶盖横梁等;外部覆盖构件:发动机机舱盖,顶盖等。目前国内碳纤维材料的研究一直在稳步发展,正在缩小与国际高端技术的差距。其中较为突出的有中国比亚迪公司生产的新能源大巴车已经出现在中国的广州、深圳、西安等城市,不仅如此还出口了美国、英国、荷兰、加拿大等发达国家[10]4摇体育领域

。

4郾1摇碳纤维高尔夫球杆

高尔夫球杆要求球杆具有较高的冲击韧性,而环氧树脂基碳纤维满足这一优良性能。例如日本JNP研发的聚乙烯甲醛改良的环氧树脂基碳纤维已经成功应用于高尔夫球杆。

4郾2摇碳纤维竞赛自行车(CarbonBike)

碳纤维材料的自行车一般常用于竞赛中,碳纤维材料主要应用于自行车的骨架,前叉,轮组(碳刀车圈)等。由于自行车大部分使用碳纤维材料,所以其直接决定了自行车的整体性能。因碳纤维具有高比模量,高比强度等优良特征,所以使碳纤维自行车具有质量轻,强度高(屈服强度和抗拉强度)的优良

碳纤维是性能优良,有良好的综合性能,随着经济建设的稳步推进,国内碳纤维应用逐步向工业领域扩展,但我国目前尖端技术欠缺,部分研发技术较日本、美国略有落后,碳纤维的部分领域依旧存在空白,日后开展超高性能产品以及降低常规品种生产成本是未来碳纤维的发展趋势。

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