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碳纖維的十六個主要應用領域及近期技術進展(一)

來源:江蘇優培德復合材料有限公司 發布時間:2017-09-05 16:23:31 瀏覽人次:2276

碳纖維是最重要的無機高性能纖維,這點是由其材料本性、產業技術復雜性、應用領域重要性和市場規模性等因素決定的。碳纖維最主要的應用形式是作為樹脂材料的增強體,所形成的碳纖維增強樹脂(CFRP)具有優異的綜合性能,其在空間平臺和運載火箭,航空器,先進艦船,軌道交通車輛,電動汽車,卡車,風電葉片,燃料電池,電力電纜,壓力容器,鈾濃縮超高速離心機,特種管筒,公共基礎設施和工業設備,體育休閑產品,以及時尚生活用具等十六個領域,有著實際和潛在的應用。下文將對上述領域中碳纖維的應用及其近期的技術進展加以綜述。

1 CFRP作為空間平臺和運載火箭的關鍵材料

碳纖維是現代宇航工業的物質基礎,具有不可替代性。CFRP被廣泛應用于、空間平臺和運載火箭等航天領域。CFRP主要用于制造彈體整流罩、復合支架、儀器艙、誘餌艙和發射筒等主次承力結構部件;在空間平臺應用方面,CFRP可確保結構變形小、承載力好、抗輻射、耐老化和空間環境耐受性良好,主要用于制造空間站的承力筒、蜂窩面板、基板、相機鏡筒和拋物面天線等結構部件;在運載火箭應用方面,CFRP主要用于制造箭體整流罩、儀器艙、殼體、級間段、發動機喉襯和噴管等部件。目前,CFRP在航天器上的應用已日臻成熟,其是實現航天器輕量化、小型化和高性能化不可或缺的關鍵材料。

2 CFRP作為航空器的結構材料

在大型先進飛機中,CFRP被廣泛用作主承力結構材料。且在近期研制成功的新型飛艇中,CFRP也被用做結構材料。

20世紀70年代中期的石油危機是碳纖維應用于飛機制造的直接原因。為緩解能源危機,當時的美國政府啟動了“飛機節能計劃”?,F代飛機機身采用鋼、鋁、鈦等金屬和復合材料制成。為節約燃油和提高運營效益,減輕機身質量一直是飛機設計制造技術中的核心挑戰之一。而CFRP在飛機機身制造上的成熟應用為減輕飛機機身質量提供了有效的途徑。

正在研制的波音777X型飛機和剛投產的波音787型飛機,機身復合材料的用量都達到了50%。波音777X型飛機是波音公司以波音777飛機為基型,正在開發的一種大型雙引擎客機,計劃首架飛機于2020年交付投入運營。波音777X飛機的主翼由CFRP制成,其翼展長約72m(235英尺),是目前客機中翼展最長的機型之一。翼展越長,升力越大,因此,波音777X的單座燃油消耗和運營成本都非常有競爭力。此外,CFRP機翼不僅強度高、柔性好,且末端可折疊,這樣多數機場都能滿足其寬翼展的停機需求。波音787飛機的主翼和機身等主承力結構都采用日本東麗公司的碳纖維預浸料制造。2005年11月,東麗公司與美國波音公司簽署了一項為期10年的協議,為波音787夢想號飛機提供碳纖維預浸料。2015年11月9日,東麗公司宣布與美國波音公司達成綜合協議,將為波音公司生產的787和777X兩型飛機提供價值約110億美元的碳纖維預浸料。波音公司計劃提高787飛機的月產量,將從2015年的10架提高到2016年的12架、2020年的14架;同時,大型模塊的比率也將提高,這將極大地促進對CFRP的需求。為保證波音787飛機月產量達12架后的材料供應,位于美國華盛頓州塔科馬市的東麗復合材料(美國)公司已于2016年1月完成了擴產;同時,日本東麗公司決定投資約4.7億美元,在其收購的斯帕坦堡縣廠區內建設包含原絲、碳纖維和預浸料在內的一體化生產線,設計年產能為2 000 t,以用于研發波音777X飛機和滿足月產14架波音787飛機的需求。

2016年8月17日,英國剛研制的“空中之戀10號”大型飛艇完成了其首航。這架飛艇是一種輕于空氣的航天器,被設計用來執行偵察、監視、通信、貨物與救援物資的運輸,以及乘客交通等。該飛艇采用日本可樂麗公司生產的聚芳酯織物作蒙皮,蒙皮內充滿了帶壓氦氣;其形狀結構材料采用CFRP,竟可能大化地減輕了飛艇自身質量。無人值守的情況下,該飛艇一次可最長在空中漂浮5天。(后續請見碳纖維的十六個主要應用領域及近期技術進展(二))

江蘇優培德復合材料有限公司致力于碳纖維等復合材料汽車及工業領域的高性能零件開發、試制、及生產,配備有復合材料不同生產工藝如模壓、RTM、真空導入、纏繞等,根據不同的產品需求及量綱要求提供整體解決方案。公司團隊在不同專業領域如公司管理、市場營銷、項目管理、產品及工藝設計開發、質量管理等均擁有15年以上的從業經驗,并且具備從產品概念設計、模擬分析、模具設計、樣品制造、試驗驗證、一直到批量生產的能力,使得公司有能力專業從事碳纖維應用,及性能要求更高的工業設備碳纖維應用。



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