產業用碳纖維的發展與應用

2022-12-23 12:09:05 字數 1725 閱讀 6497

70、80年代碳纖維主要用於航天航空高技術領域。碳纖維複合材料能否在航天航空高技術產品上得到應用,主要取決於它的效能是否能滿足設計要求。因此碳纖維研究與生產單位都致力於提高改進碳纖維效能,像日本東麗公司生產的t300碳纖維,它的抗拉強度由最初的約3000mpa不斷提高,到80年代中期同樣是t300碳纖維,而抗拉強度已達到3600mpa,即提高了20%左右。

此外,效能更好的碳纖維像t800(抗拉強度5490mpa)、t1000(抗拉強度7000mpa)相繼研究開發成功,並投入市場,以滿足要求效能更高的高技術產品主承力構件的需求。90年代以後,碳纖維從傳統的航天航空高技術領域和應用於體育休閒用品向更廣泛的工業領域滲透發展,如:土木建築、橋梁修復、交通運輸、****、能源等。

目前碳纖維被劃分為宇航級兩類,亦稱為小絲束和大絲束。通常把48k以上碳纖維稱為大絲束碳纖維,包括60k、120k、360k和480k等。宇航級碳纖維初期以1k、3k、6k為主,逐漸發展為12k和24k,主要應用於國防軍工和高技術,以及體育休閒用品,像飛機、飛彈、火箭、衛星和釣魚杆、高爾夫球杆、網球拍等。

工業級碳纖維應用於不同民用工業,包括:紡織、醫藥衛生、機電、土木建築、交通運輸和能源等。特別是近年來工業級碳纖維滲透進入傳統宇航級碳纖維的應用領域,開始在體育休閒用品上獲得一定程度的應用,估計這一趨勢將進一步擴大發展。

宇航級碳纖維的需求在70、80年代一直呈上公升趨勢,80年代末期達到頂峰,90年代開始回落。以美國為例,美國國防部2023年碳纖維消耗超過200萬磅,過去曾**2023年會消耗碳纖維800萬磅以上,但實際上碳纖維消耗回落到200萬磅以下。總的講宇航級碳纖維需求在國際形勢沒有突變的情況下不會有很大的增量,而工業級碳纖維的需求,呈急速高漲趨勢。

80年代工業級碳纖維用量遠遠比宇航級碳纖維用量要少,90年代以後則飛速發展。目前工業級碳纖維用量已經超過宇航級碳纖維的用量(包括航天航空和體育休閒用品的總和)。

90年代中期以後,碳纖維市場發展很快,在某種程度上反映出碳纖維供不應求,市場短缺。80年代對碳纖維及其複合材料的發展曾作了過分樂觀的**,但隨「柏林圍牆的拆除」和「海灣戰爭」的結束,國防軍工和高技術對碳纖維的需求相對萎縮,遠遠比**要少得多。90年代初期對碳纖維的需求不但沒有增長反而下降,因此,對碳纖維工業和複合材料工業的投資大大減少,造成這一段時間世界碳纖維生產能力沒有太大的增長。

2023年以後,由於航天航空、體育休閒用品和工業應用對碳纖維的需求大幅度增加,超過當時所有碳纖維裝置的生產能力,造成世界市場碳纖維的短缺。90年代中期以後,碳纖維生產廠商都投入大量資金建設新的碳纖維生產線,擴大碳纖維生產能力。據統計,世界各國對碳纖維工業的投資截止到2023年底將達到10億美元。

此外由於碳纖維長絲和絲束的機械效能及其優良,因此其主要用於塑料和碳絲的增強。其中碳纖維增強輕金屬應用於宇航方面,其製品主要用在:飛機、火箭等承受搞負荷的部件;高壓容器;體育用品等 。

碳纖維氈和碳素短纖維主要用作絕熱材料,這種絕熱材料在500攝氏度以上可以隔絕空氣和其他氧化劑的干擾。碳纖維氈和碳素短纖維的其他用途還有:填充塔的填料;侵蝕性氣體和液體的過濾材料;催化劑的載體;燃料電池和蓄電池的電極。

碳纖維織物用作輻射加熱的大體積真空爐中輕質,高負荷的電導體。活性炭纖維主要用於吸附廢氣、淨化環境;**溶劑及有機化合物;淨化水;化學防護;高效電容和各種電極材料。

要大規模擴大碳纖維及其複合材料的市場,獲得進一步開發碳纖維新的應用範圍,特別需要指出的是過去開發在航空、航天和高技術範圍的應用可以依靠國家的投入,而大絲束碳纖維在新的民用工業的開發,不能只靠國家的投入,更需要工業界自身的投入與努力,才能實現進一步開發。

《碳纖維材料》

《碳纖維複合材料應用》

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