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碳纤维的应用与发展

2018-07-30
碳纤维年需求的比例如下:体育应用大约为30%,航空应用为10%,工业应用为60%。 体育应用中的三项重要应用为高尔夫球棒,钓鱼杆和网球拍框架。目前,据估计每年的高尔大球棒的产量为3400万。按照《国家利地区分类,这些高尔大球棒主要产地为美国,中国,日本和中国台北,美国和日本是高尔夫球棒的主要消费地占80%以上。全世界40%的碳纤维高尔大球杆都是由TORAY的碳纤维制成的。 全世界碳纤维钓鱼杆的产量人约为每年2000万副,这就意味着这种应用对碳纤维有着稳定的需求。网球拍框架的市场容量人约为每年600万副。其它的体育项目应用还包括冰球棍,滑雪杖,射箭,和自行车,同时,碳纤维还应用在划船,赛艇,冲浪,和其它的海洋运动项目中。 在1992年问,航空应川中对碳纤维的需求开始有所减少,主要是受到了商业飞机业衰退的影响,但是在1995早期有得到了迅速的恢复。恢复的主要原因是由于生产效率在整体上都得到了提升,同时也开始全力生产波音777飞机,TORAY的碳纤维被用做结构材料,包括水平和垂直的横尾翼和横梁,这两部分结构是如此的重要,如果他们受损,那么整个飞机在飞行的过程中就可能坠毁。这些材料被称为“首要的结构材料”,因为他们是如此的重要,所以对他们的质量要求是极其苛刻的。对于波音777飞机,TORAY是波音公司指定的唯一有资格的碳纤维制造商。 欧洲空客也在他们的飞机上使用了大量的碳纤维,TORAY的TORAYCA碳纤维将被大量地应用在他们的新型客机A380上。 在工业领域,碳纤维的应用也相当广泛,作为材料,它们正在替代金属和混凝土来满足环境、安全和能源要求,在工业领域对碳纤维的需求量正在呈现上升趋势。 在土木工程和建筑领域,应用碳纤维的抗震修复和加强法是一项主要突破,正在此领域得到更加广泛的推广。在铁路建筑中,大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用,这些也将是很有前景的应用。压力容器主要用在汽车的受压大然气(CNG)箱上,如图所示,还用在救火队员的固定式呼吸器(SCBA)上。CNG罐源于美国和欧洲国家,现在日本和其他的亚洲国家也对这项应用表现山了极大的兴趣。 碳纤维的其它应川包括机器元件、家用电器、微机、及与半导体相关的设备的复合材料的生产,可以用来起剑加强,防静电,和电磁波防护的作用,另外,在X射线仪器市场上,碳纤维的应用可以减少人体住X射线下的暴露。 随着碳纤维成本的连续降低,和世界范同内的环保要求的提高,碳纤维开始被应用于汽车领域,将来它们会被应用做尾部沸腾器,发动机,传动轴和燃料箱材料,在未来将有很好的前景。 碳纤维的全方位商业化始丁20世纪70年代,70年代是高尔大球棒和钓鱼杆应用的引入和发展时期,主要是在日本。在80年代早期,碳纤维开始被广泛地川在客机和航空飞行器上作为结构材料,主要是用在欧洲和北美。 然后,人们提高了对碳纤维的认识,开始把它当成一种高质量的材料,并在20世纪80年代中期得到了飞速的增长。在80年代中期,空客公司开始将CFRP作为首要的结构材料应用在它们的飞机上,而且,随着碳纤维在网球和新的体育项目的应用,碳纤维市场得剑了稳步的扩展。尽管住1991年的海湾战争之后,航空业的发展走向衰退,全球经济开始停止不前,碳纤维的需求增长也趋向缓慢,自90年代中期以来,碳纤维的工业应刚开始成为新的需求增长点。尤其是,欧洲和北美开始将碳纤维应用与压力容器上,这种增长非常显著,应用碳纤维杰出的电热特点的发热材料也开始出现。由丁1995年的神户地震,加快了抗震加固应用的需求。在未来,预计碳纤维的主要应用领域将侧重于工业应用,而且这一需求将会稳步增加;碳纤维发热材料在工业和民用领域中的应用比例也会随着石油天然气价格的逐年飚升而迅速提升。 另外,新一带的航天计划和与汽下相关的应用都将促进碳纤维的工业化应用。 在2004年,常规型的碳纤维的产能约为25000 吨,其中75%由和日本相关的制造商生产。另外,低成本的粗碳纤维一被称为“人丝束类型”的碳纤维的产量也有几千吨,人丝束类型已经开始被用于低端的体育和工业应用中,同时也被应用于过去只有玻璃纤维才涉及的领域。 对丁碳纤维来说,通常所说的70%的宣布的产能是实际的产能。所宣布的产能通常是以标准产品类型为基础进行计算的,但是对于碳纤维,除了具有标准强度和模量的标准产品之外,还有很多其他的根据技术特性和应用领域而定的等级产品。纤维的粗度也不尽相同,因此,按照产品类型和纤维粗度来划分,他们的产能是不同的。在生产多种产品的时候,换产会很浪费时间。因此,实际的产能通常会低于宣布的产能。 从2003到2010年按照应用和领域来划分的全球需求和需求预测。到2010年的这段时间内,碳纤维的需求将每年增长7.5%。预计到2010年碳纤维的总需求量将达到32000吨。
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碳纤维的用途

2018-07-30
碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比钢高。材料的比强度愈高,则构件自重愈小,比模量愈高,则构件的刚度愈大,从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景,综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能, 不少人预料,人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。顾名思义,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。与传统的玻璃纤维(GF)相比,杨氏模量是其3 倍多;它与凯芙拉纤维(KF-49)相比,不仅杨氏模量是其2倍左右,而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中,时间已过去20多年,它至今仍保持纤维形态。碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维 。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高,无蠕变,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,耐腐蚀性好,纤维的密度低,X射线透过性好。但其耐冲击性较差,容易损伤,在强酸作用下发生氧化,与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此,碳纤维在使用前须进行表面处理。碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得;按状态分为长丝、短纤维和短切纤维;按力学性能分为通用型和高性能型 。通用型碳纤维强度为1000兆帕(MPa)、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000MPa、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。强度大于4000MPa的又称为超高强型;模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展,还出现了高强高伸型碳纤维,其延伸率大于2%。用量大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维除用作绝热保温材料外,一般不单独使用,多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。碳纤维是军民两用新材料,属于技术密集型和政治敏感的关键材料。50年代主要应用在火箭、宇航及航空等尖端科学,到80年代被广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。同时,随着高性能及超高性能的碳纤维的相继出现,它应用的范围越来越广,如A380、波音777、美国新型主战坦克,碳纤维比重占到15%以上。同时,随着碳纤维加工技术的普及,它的应用范围自80年代起逐渐涉及到民用方面。到目前为止,我国各种应用占碳纤维率需求比例分别为体育30%,航空10%,工业60%。体育用碳纤维主要应用于高尔夫棒、网球拍、赛车、弓箭、跳竿、冰球棒、游艇、赛艇、滑翔机、人力飞机、帆船桅杆、摩托车及登山用品,如登山杖、滑雪杖、攀岩头盔等。
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碳纤维的三大应用领域及其未来发展趋势

2018-07-30
世界碳纤维的消费结构集中在工业应用、航天航空和体育休闲三个方面,目前工业应用约占总消费量的58%,航空航天方面应用约占23%,体育运动器材应用约占19%。 1991-2009年,碳纤维在工业应用领域的消耗是持续增长的,航空航天领域基本保持平衡,而体育用品在碳纤维应用的比例则持续下降,碳纤维应用逐渐从航空航天、体育用品向民用工业应用转移,特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产,其价格将不断降低,民用工业用量将继续保持大幅度增加的趋势。文体用品方面,目前碳纤维材料已从钓鱼竿和高尔夫球棒推广到网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、冰雪运动器材、水上运动器材等方面,需求量稳步、较快增长。其中高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品、约占该类产品的80%。一般产业对碳纤维材料的应用发展比较迅速,包括基础设施的修复、更新和加固;新能源开发如沿海油气田、深海油田的钻井平台、管道和缆绳等,以及风力发电机的螺旋桨和风叶;汽车的刹车系统、转动轴、车身以及环保汽车用的压缩天然气气瓶;电子领域的应用主要有通信、广播、地球观测、空间探测以及各种飞行器的高精度天线。一般产业的需求增长较快,将成为碳纤维新的主要应用领域。
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