碳纖維在交通工具制造業(yè)中的應(yīng)用

1、碳纖維在交通工具制造業(yè)中的應(yīng)用摘要 碳纖維的用途主要是利用其"輕而強"和"輕而硬"的力學特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工、體育休閑等結(jié)構(gòu)材料；利用其尺寸穩(wěn)定性，應(yīng)用于宇宙機械、電波望遠鏡和各種成型品；利用其耐疲勞性，應(yīng)用于直升飛機的葉片；利用其振動衰減性，應(yīng)用于音響器材；利用其耐高溫性，應(yīng)用于飛機剎車片和絕熱材料；利用其耐藥品性，應(yīng)用于密封填料和濾材；利用其電氣特性，應(yīng)用于電極材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料；利用其生體適應(yīng)性，應(yīng)用于人工骨、韌帶；利用其 X-光透過性，應(yīng)用于 X-光床板等。此外，還可以活化成活性碳纖維，應(yīng)用于各種吸附領(lǐng)域。此文著重介紹碳

2、纖維在交通工具制造業(yè)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞碳纖維：carbon fibre碳纖維的應(yīng)用新材料航空工具汽車制造正文（一）碳纖維的的特點及其在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用 碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。與傳統(tǒng)的玻璃纖維(GF)相比，楊氏模量是其3 倍多；它與凱芙拉纖維(KF-49)相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。有學者在1981年將PAN基CF浸泡在強堿NaOH 溶液中，時間已過去20多年，它至今仍保持纖維形態(tài)。 碳纖維是一種力學性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強度一般都在3500

3、Mpa以上，是鋼的79倍，抗拉彈性模量為2300043000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景，綜觀多種新興的復(fù)合材料(如高分子復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料)的優(yōu)異性能，不少人預(yù)料，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時代進入到一個復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的時代。碳纖維是含碳量高于90的無機高分子纖維 。其中含碳量高于99的稱石墨纖維。碳纖維的軸向強度和模量

4、高，無蠕變，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性好，纖維的密度低，X射線透過性好。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發(fā)生氧化，與金屬復(fù)合時會發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現(xiàn)象。因此，碳纖維在使用前須進行表面處理。碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得；按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學性能分為通用型和高性能型 。通用型碳纖維強度為1000兆帕（MPa）、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強型（強度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。強度大于4000MPa的又稱為超高強型；模量大于4

5、50GPa的稱為超高模型。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強高伸型碳纖維，其延伸率大于2。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。 碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。碳纖維增強的復(fù)合材料可用作飛機結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)機器人、汽車板簧和驅(qū)動軸等。碳纖維的用途主要是利用其"輕而強"和"輕而硬"的力學特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工、體育休閑等結(jié)構(gòu)材料；利用其尺寸穩(wěn)定性，應(yīng)用

6、于宇宙機械、電波望遠鏡和各種成型品；利用其耐疲勞性，應(yīng)用于直升飛機的葉片；利用其振動衰減性，應(yīng)用于音響器材；利用其耐高溫性，應(yīng)用于飛機剎車片和絕熱材料；利用其耐藥品性，應(yīng)用于密封填料和濾材；利用其電氣特性，應(yīng)用于電極材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料；利用其生體適應(yīng)性，應(yīng)用于人工骨、韌帶；利用其 X-光透過性，應(yīng)用于 X-光床板等。 此外，還可以活化成活性碳纖維，應(yīng)用于各種吸附領(lǐng)域。具體應(yīng)用例如： 釣魚桿現(xiàn)年產(chǎn)量約1200萬只，年碳纖維用量1200t； 高爾夫球桿隨著輕量化和長尺寸化的要求，現(xiàn)已占碳纖維體育用品用途的50，年碳纖維用量為 2000t； 網(wǎng)球拍的年市場規(guī)模約為450萬只，年碳纖維用

7、量約500t； 飛機方面，小型商務(wù)機和直升飛機的復(fù)合材料用量已占70一80，軍用機30一40，大型客機15一20； 人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線要用高模碳纖維，先進的運載火箭和導(dǎo)彈殼體、發(fā)射筒等要用800H和 T300碳纖維等； 土木建筑領(lǐng)域，已用于補修加工用片材、建筑部件、代鋼筋材料、屋頂構(gòu)架材料等能源領(lǐng)域，已用于汽車的壓縮天然氣罐和風車葉片(長達30-40m)、海底油田管道、升降機等； 交通運輸方面，已應(yīng)用于賽車、汽車傳動軸、大型卡車車體電子電器領(lǐng)域，已應(yīng)用于增強熱塑性樹脂的擠出成型品，如抗靜電 IC盤、筆記本電腦的筐體，具有電磁波屏蔽效果； 其它，還有X-射線盒、醫(yī)用床板、印刷、制

8、膜、造紙等用的各種滾軸、空氣或氧氣呼吸用壓力容器等等（二）碳纖維在汽車制造行業(yè)中的應(yīng)用 輕型化汽車：碳纖維碳纖維只占到復(fù)合材料30%的重量，復(fù)合材料的制造方法主要來自低產(chǎn)量的航空技術(shù)，新的、大批量復(fù)合材料成型方法才是突破點。2010年SGL與寶馬合資的碳纖維及復(fù)合材料廠在美國開工，根據(jù)寶馬的測算，每臺汽車大約需要90公斤的碳纖維，將來需要6萬噸的碳纖維。碳纖維在汽車行業(yè)需求前景：碳纖維復(fù)合材料傳動軸、尾翼和引擎蓋已經(jīng)在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用，雖然現(xiàn)在主要是用在豪華車型，但預(yù)計未來將在大眾車型中推廣。日產(chǎn)汽車、本田汽車和東麗公司，將聯(lián)手開發(fā)汽車車體用的新型碳纖維材料。合作企業(yè)還包括三菱麗陽和東洋紡織，

9、使用后使車體較使用鋼材者輕40%。日本政府亦支持該項計劃,希望在全球開發(fā)環(huán)保車輛的趨勢中取得領(lǐng)先地位。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省計劃未來五年投資這項計劃20億日圓(1850萬美元)。采用碳纖維材質(zhì)將可改善車輛的燃料效能，并使二氧化碳排放減少30%。碳纖維制品多用于特殊領(lǐng)域，其使用壽命和更新周期均有嚴格要求，大量廢棄的碳纖維產(chǎn)品急待處理。據(jù)日本三菱人造絲公司估計，目前全球廢棄的CFRP大約為1萬噸。隨著CF生產(chǎn)能力的擴大及增強材料的大量使用，環(huán)境友好要求企業(yè)重視CF的回收利用。發(fā)達國家已開始了這項工作：德國Thuringian(TITK)研究所開發(fā)的新工藝，不采用撕切處理就能從廢棄CF紡織品中獲取長度20m

10、m，一般長度為30mm70mm的碳纖維；西班牙INASMET運輸安全機構(gòu)經(jīng)過兩年的研究試驗，采用化學和熱解處理技術(shù)開發(fā)了CF-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料回收再利用的新途徑，其回收產(chǎn)品可用于一般的CFRP。據(jù)中國環(huán)氧樹脂行業(yè)協(xié)會專家介紹，日本東麗公司、帝人公司(日本東京)，和三菱麗陽公司計劃聯(lián)手大規(guī)模生產(chǎn)循環(huán)碳纖維，以促進高強輕質(zhì)材料的回收利用。汽車制造者將碳纖維視為輕質(zhì)汽車材料，在東麗及一些其他公司的帶動下，將進一步鼓勵采用循環(huán)碳纖維，提高材料及零件可回收成分。關(guān)于碳纖維在汽車上的應(yīng)用，首先在汽車車身、底盤的應(yīng)用，由于碳纖維增強材料有足夠強度和剛度，其適于制造汽車車身、底盤等主要結(jié)構(gòu)件的最輕材料，可使汽

11、車車身、底盤減重4060，相當于鋼結(jié)構(gòu)重量1/31/6；在制動摩擦片上的應(yīng)用，碳纖維還因其環(huán)保、耐磨特點，而應(yīng)用在制動摩擦片上，但含有碳纖維復(fù)合材料都格外貴，所以目前主要應(yīng)用高檔轎車；在座椅加熱墊上的應(yīng)用，碳纖維汽車座椅加熱墊是一個突破，在汽車配套市場變得越來越受歡迎，將會完全替代傳統(tǒng)的座椅加熱系統(tǒng)；在輪轂上的應(yīng)用，德國輪轂制造專家WHEEL SANDMORE，推出的“Megalight-Forged-Series”輪轂系列，采取2片式設(shè)計，外環(huán)為碳纖維材質(zhì)打造、內(nèi)轂為輕量化的合金，搭配不銹鋼制的螺絲，較一般同尺碼減輕重量40左右；在燃料貯罐上的應(yīng)用，采用CFRP在滿足要求的條件下，可以實現(xiàn)壓

12、力容器的輕量化。（三）碳纖維在民航中的應(yīng)用最近幾年尤其在亞洲和歐洲，飛機乘客數(shù)量的增加促進了新飛機的需求增長?？湛腿蚴袌鲱A(yù)測估計，20102025年間，飛機運營商將需要22700架客機和貨機。這些OEM正引領(lǐng)著結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料用量的巨大增長，其中包括碳纖維，其最新的應(yīng)用就是B787和A380飛機。航空航天領(lǐng)域是世界碳纖維的傳統(tǒng)市場，根據(jù)世界第2大碳纖維生產(chǎn)商日本東邦公司的預(yù)測，航空器中碳纖維復(fù)合材料的使用量，未來幾年將以年均12的速度繼續(xù)增長，2012年可達13000噸。A380為大型噴氣式客機，其結(jié)構(gòu)(包括主要結(jié)構(gòu))使用了22%的碳纖維復(fù)合材料。波音公司B787中碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料的唯一供應(yīng)

13、商是東京的東麗公司(Toray)，2家公司已經(jīng)就Torayca預(yù)浸料簽訂了長達18年的供應(yīng)合同，一直到2021年。據(jù)報道787主要結(jié)構(gòu)的合同價值，高達20.3億歐元(30億美元)。新型超大型客機空中客車A380和波音787，均大量使用環(huán)氧樹脂浸漬碳纖維，或碳纖維增強塑料(CFRP)作為主要的結(jié)構(gòu)材料。碳纖維復(fù)合材料約占A380飛機35噸結(jié)構(gòu)材料中的20以上，包括中央翼盒、機尾組件以及壓艙壁；波音787中結(jié)構(gòu)材料有近50%需要使用碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維增強塑料，包括主機翼和機身。金屬結(jié)構(gòu)材料采用碳纖維復(fù)合材料后不僅可以減輕機身質(zhì)量，而且還可以保證不損失強度或剛度，大大提高了燃油經(jīng)濟性。新一代的客機將使用