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碳纤维:碳家新贵“黑色黄金”_苏更林.pdf
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1、科技Science4百科知识 2023.03B 苏更林 碳纤维:碳纤维:碳家新贵,“黑色碳家新贵,“黑色黄金黄金”都说“物以稀为贵”,而随处可见的碳根本就谈不上“稀”。那么,碳纤维“贵”在何处,又“新”在哪里,居然能与黄金相提并论?轻量为王,勇挑航天重任的“明星”诞生于 20 世纪 60 年代的碳纤维,是以含碳有机纤维为原料,经过高温碳化和石墨化等工艺制成的含碳 90%以上的新材料。航空航天是碳纤维应用的一个重要领域,体现了先进材料对现代尖端科技的支撑作用。在航空航天领域,最常用的碳纤维为PAN 基长丝高性能碳纤维。什么是 PAN基长丝高性能碳纤维呢?PAN 的中文名称为“聚丙烯腈”,“PAN
2、 基”以聚丙烯腈为含碳有机纤维原料来制造碳纤维。除了 PAN 基碳纤维外,还有沥青基、黏胶基和酚醛基等碳纤维。由于 PAN 基碳纤维生产工艺相对简单,其成品拥有优异的品质和力学性能,因此是目前世界上新材料领域的“当红明星”。“长丝”是相对于短丝而言的。按照纤维形态,碳纤维可以分为长丝、短纤维和短切纤维。它们都有特定的应用场合,其中的长丝往往拥有更好的综合性能,而被应用于尖端科技领域。至于“高性能”,则是航空航天对碳纤维材料的核心要求。按照性能数值的高低,PAN基碳纤维可分为通用型(GP)、高强型(HT)、高模型(HM)、高强高模型(HP)等多种规格。其中的高模型和高强高模型是航空航天领域看好的
3、功能材料。不过,碳纤维通常以复合材料的形式被应用于多种场合。所谓复合材料,是指由两种或两种以上单一材料经复合工艺制成的多组元材料。这些组元的作用在于取长补短,相得益彰,使得复合科技Science4百科知识 2023.03BScience科技5百科知识 2023.03B材料能更好地满足特定场合的需要。碳纤维复合材料通常以树脂材料(如环氧树脂等)作为基体,主要作用是传递应力,并把各种组元团结为一个有机的整体,从而迎接各种负荷的挑战。至于碳纤维,其定位就是“增强纤维”,其主要作用是承载负荷,也就是挑“大梁”的意思。大飞机一直是国际竞争的制高点,其中复合材料已成为其制造的三大关键技术之一。用碳纤维与树
4、脂制成的复合材料制作 大 飞 机 的“外 衣”,轻 巧 灵 便、消 耗动力少,而且推力大,噪声还低。如波音787 所用的复合材料就达到了 50%,不仅能有效克服自重与安全的矛盾,还能大幅降低飞机的能耗。国产大飞机的诞生,标志着我国碳纤维复合材料达到了相当高的水平。我国科学家研制的T800级高强碳纤维复合材料,成功应用于 C919 大型客机。这是我国首个使用 T800 级高强碳纤维复合材料的民用机型,标志着我国在高强碳纤维复合材料制造方面取得了重要突破。据悉,T800 级高强碳纤维复合材料是以增韧环氧树脂为基体,T800 碳纤维为增强纤维的新型碳纤维材料。这是目前国际上民用飞机主承力结构应用最为
5、广泛的复合材料。在 C919 上,像后机身和平垂尾等受力较大的部件,都使用了 T800级高强碳纤维复合材料。并且,由于轻质先进材料的应用,使得 C919 的总重量减少了 7%左右,这对于降低油耗等具有重要的意义。如今,我国 T1000 级超高强度碳纤维已经破冰,有望在航空航天、国防以及民用工业领域发挥重要作用。对于航天探索来说,“轻装上阵”是最基本的要求。为了节约燃料消耗,减重就成为了首要问题。为了提高航天发射的效能,搭载必要的科学装置等有效载荷是十分必要的。因此,从运载火箭开始减重是一个不错的主意。运载火箭减重绝不是要少带燃料,而是要从燃料罐和氧化剂罐入手进行减重。如果将传统的铝合金罐体PA
6、N 基碳纤维的制造PAN 纤维预氧化炉碳化炉石墨化炉上浆表面处理碳纤维PAN 基预氧化产物碳化产物石墨化产物200-30030-60 分钟1000-20002000-3000科技Science6百科知识 2023.03B换成碳纤维复合材料,一定会取得很好的减重效果。当然,如果用碳纤维复合材料制造运载火箭,也可以提高火箭的有效发射能力。运载火箭轻了,航天器就可以增加有效载荷。那么,航天器能否减重呢?回答是肯定的,不过减重不是减少有效载荷。碳纤维复合材料在航天领域的应用,除了运载火箭之外,主要应用于卫星结构、支撑结构件以及光学镜体等几个方面。先来说说碳纤维复合材料在卫星结构中的应用。作为目前人类向
7、太空发射的最主要的航天器,卫星为人类认识太空和服务社会做出了重要贡献。碳纤维复合材料可以用于制造卫星的外壳,也可以用于制作卫星承力筒,这是卫星的主承力结构。在卫星上一般用舱板来实现舱段之间的连接,并为卫星上的设备提供支撑和保护作用。这里的舱板就可以用碳纤维复合材料来制造。卫星控制平台主体结构以及各种仪器安装结构板等也可以用碳纤维复合材料来制造。在航天器结构中,庞大的太阳翼是一个必备的装备。如果用碳纤维复合材料制造太阳翼的框架,一定会有显著的减重效果。在空间站,像桁架结构、压力容器也可以用碳纤维复合材料来制造。在制造遥感相机镜筒、相机支架、星载天线上,碳纤维复合材料也有用武之地。助力“双碳战略”
8、,为新能源提供坚强支撑实施“双碳战略”,发展新能源是关键,而新能源的高速发展,离不开新兴材料的支撑。碳纤维复合材料在新能源产业中的应用,彰显了先进碳基复合材料的强大威力。C919 的碳纤维复合材料用量大概为 12%雷达罩中央翼襟翼翼梢小翼水平尾翼翼身整流罩后机身球面框方向舵升降舵副翼、扰流板碳纤维层合板碳纤维夹层结构玻璃纤维夹层结构Science科技7百科知识 2023.03B就拿风力发电机叶片来说,那可是碳纤维复合材料为社会效力的主战场。风能作为一种清洁能源,日益受到人们的青睐。风力发电的核心装备为风力发电机,即通常所说的风机。也许,你印象中的风机就是转动中的三个叶片。其实,风机有极其复杂的
9、结构。那长长的叶片只是其捕获风能的“哨兵”,其使命是把风能转化为机械能,再经过发动机的转化就可以输出电力了。风机强不强,叶片是关键。为了提升低风速地区的发电量,一般风机需要在100 多米的高度工作。那里的工作环境极其恶劣,因此对叶片的制作材料有着苛刻的要求。比如,所用材料既要满足风机叶片的强度和刚度要求,又要满足风机叶片的韧性和寿命要求。近年来,碳纤维复合材料正在逐步取代玻璃纤维复合材料,成为制造风机叶片的理想材料。叶片的长度在一定程度上决定了风电机组的发电水平以及整机成本,未来,风力发电的趋势是风机叶片的大型化。这一点也很好理解,因为叶片越长扫风面积越大,风机发电功率自然也更大。我国的风机叶
10、片长度已突破百米大关,未来有望向160 米进发。这里还有一个问题需要考虑,那就是风机叶片大型化之后的减重问题。因为减重可以提高风力发电的经济性。据悉,用碳纤维复合材料取代玻璃纤维复合材料,一般可使叶片重量减少三分之一左右。想必经济性也会随之提高不少呢!氢能产业作为一种战略性新兴产业,在构建低碳社会中占有重要的地位。发展燃料电池汽车是氢能利用的一个重要方面,然而这绕不开氢的储运关。氢在常温常压条件下为气态,密度只有水的万分之一,高密度储氢具有一定的难度。目前国内主流的储氢方式为高压气态储氢,这也是最为成熟的储氢方式了。然而,高压气态储氢对高压储氢罐的技术要求很高。对于车载领域的储氢瓶而言,大多采
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