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新聞動態

碳纖維的應用與發展

2018-07-30
碳纖維年需求的比例如下:體育應用大約為30%,航空應用為10%,工業應用為60%。 體育應用中的三項重要應用為高爾夫球棒,釣魚桿和網球拍框架。目前,據估計每年的高爾大球棒的產量為3400萬。按照《國家利地區分類,這些高爾大球棒主要產地為美國,中國,日本和中國臺北,美國和日本是高爾夫球棒的主要消費地占80%以上。全世界40%的碳纖維高爾大球桿都是由TORAY的碳纖維制成的。 全世界碳纖維釣魚桿的產量人約為每年2000萬副,這就意味著這種應用對碳纖維有著穩定的需求。網球拍框架的市場容量人約為每年600萬副。其它的體育項目應用還包括冰球棍,滑雪杖,射箭,和自行車,同時,碳纖維還應用在劃船,賽艇,沖浪,和其它的海洋運動項目中。 在1992年問,航空應川中對碳纖維的需求開始有所減少,主要是受到了商業飛機業衰退的影響,但是在1995早期有得到了迅速的恢復。恢復的主要原因是由于生產效率在整體上都得到了提升,同時也開始全力生產波音777飛機,TORAY的碳纖維被用做結構材料,包括水平和垂直的橫尾翼和橫梁,這兩部分結構是如此的重要,如果他們受損,那么整個飛機在飛行的過程中就可能墜毀。這些材料被稱為“首要的結構材料”,因為他們是如此的重要,所以對他們的質量要求是極其苛刻的。對于波音777飛機,TORAY是波音公司指定的唯一有資格的碳纖維制造商。 歐洲空客也在他們的飛機上使用了大量的碳纖維,TORAY的TORAYCA碳纖維將被大量地應用在他們的新型客機A380上。 在工業領域,碳纖維的應用也相當廣泛,作為材料,它們正在替代金屬和混凝土來滿足環境、安全和能源要求,在工業領域對碳纖維的需求量正在呈現上升趨勢。 在土木工程和建筑領域,應用碳纖維的抗震修復和加強法是一項主要突破,正在此領域得到更加廣泛的推廣。在鐵路建筑中,大型的頂部系統和隔音墻在未來會有很好的應用,這些也將是很有前景的應用。壓力容器主要用在汽車的受壓大然氣(CNG)箱上,如圖所示,還用在救火隊員的固定式呼吸器(SCBA)上。CNG罐源于美國和歐洲國家,現在日本和其他的亞洲國家也對這項應用表現山了極大的興趣。 碳纖維的其它應川包括機器元件、家用電器、微機、及與半導體相關的設備的復合材料的生產,可以用來起劍加強,防靜電,和電磁波防護的作用,另外,在X射線儀器市場上,碳纖維的應用可以減少人體住X射線下的暴露。 隨著碳纖維成本的連續降低,和世界范同內的環保要求的提高,碳纖維開始被應用于汽車領域,將來它們會被應用做尾部沸騰器,發動機,傳動軸和燃料箱材料,在未來將有很好的前景。 碳纖維的全方位商業化始丁20世紀70年代,70年代是高爾大球棒和釣魚桿應用的引入和發展時期,主要是在日本。在80年代早期,碳纖維開始被廣泛地川在客機和航空飛行器上作為結構材料,主要是用在歐洲和北美。 然后,人們提高了對碳纖維的認識,開始把它當成一種高質量的材料,并在20世紀80年代中期得到了飛速的增長。在80年代中期,空客公司開始將CFRP作為首要的結構材料應用在它們的飛機上,而且,隨著碳纖維在網球和新的體育項目的應用,碳纖維市場得劍了穩步的擴展。盡管住1991年的海灣戰爭之后,航空業的發展走向衰退,全球經濟開始停止不前,碳纖維的需求增長也趨向緩慢,自90年代中期以來,碳纖維的工業應剛開始成為新的需求增長點。尤其是,歐洲和北美開始將碳纖維應用與壓力容器上,這種增長非常顯著,應用碳纖維杰出的電熱特點的發熱材料也開始出現。由丁1995年的神戶地震,加快了抗震加固應用的需求。在未來,預計碳纖維的主要應用領域將側重于工業應用,而且這一需求將會穩步增加;碳纖維發熱材料在工業和民用領域中的應用比例也會隨著石油天然氣價格的逐年飚升而迅速提升。 另外,新一帶的航天計劃和與汽下相關的應用都將促進碳纖維的工業化應用。 在2004年,常規型的碳纖維的產能約為25000 噸,其中75%由和日本相關的制造商生產。另外,低成本的粗碳纖維一被稱為“人絲束類型”的碳纖維的產量也有幾千噸,人絲束類型已經開始被用于低端的體育和工業應用中,同時也被應用于過去只有玻璃纖維才涉及的領域。 對丁碳纖維來說,通常所說的70%的宣布的產能是實際的產能。所宣布的產能通常是以標準產品類型為基礎進行計算的,但是對于碳纖維,除了具有標準強度和模量的標準產品之外,還有很多其他的根據技術特性和應用領域而定的等級產品。纖維的粗度也不盡相同,因此,按照產品類型和纖維粗度來劃分,他們的產能是不同的。在生產多種產品的時候,換產會很浪費時間。因此,實際的產能通常會低于宣布的產能。 從2003到2010年按照應用和領域來劃分的全球需求和需求預測。到2010年的這段時間內,碳纖維的需求將每年增長7.5%。預計到2010年碳纖維的總需求量將達到32000噸。
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碳纖維的用途

2018-07-30
碳纖維是一種力學性能優異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上,是鋼的7~9倍,抗拉彈性模量為23000~43000Mpa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,則構件自重愈小,比模量愈高,則構件的剛度愈大,從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景,綜觀多種新興的復合材料(如高分子復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料)的優異性能, 不少人預料,人類在材料應用上正從鋼鐵時代進入到一個復合材料廣泛應用的時代。顧名思義,它不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。與傳統的玻璃纖維(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。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高,無蠕變,耐疲勞性好,比熱及導電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數小,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,在強酸作用下發生氧化,與金屬復合時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。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碳化制得;按狀態分為長絲、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450GPa的稱為超高模型。隨著航天和航空工業的發展,還出現了高強高伸型碳纖維,其延伸率大于2%。用量大的是聚丙烯腈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,構成復合材料。碳纖維增強的復合材料可用作飛機結構材料、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、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等。碳纖維是軍民兩用新材料,屬于技術密集型和政治敏感的關鍵材料。50年代主要應用在火箭、宇航及航空等尖端科學,到80年代被廣泛應用于體育器械、紡織、化工機械及醫學領域。同時,隨著高性能及超高性能的碳纖維的相繼出現,它應用的范圍越來越廣,如A380、波音777、美國新型主戰坦克,碳纖維比重占到15%以上。同時,隨著碳纖維加工技術的普及,它的應用范圍自80年代起逐漸涉及到民用方面。到目前為止,我國各種應用占碳纖維率需求比例分別為體育30%,航空10%,工業60%。體育用碳纖維主要應用于高爾夫棒、網球拍、賽車、弓箭、跳竿、冰球棒、游艇、賽艇、滑翔機、人力飛機、帆船桅桿、摩托車及登山用品,如登山杖、滑雪杖、攀巖頭盔等。
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碳纖維的三大應用領域及其未來發展趨勢

2018-07-30
世界碳纖維的消費結構集中在工業應用、航天航空和體育休閑三個方面,目前工業應用約占總消費量的58%,航空航天方面應用約占23%,體育運動器材應用約占19%。 1991-2009年,碳纖維在工業應用領域的消耗是持續增長的,航空航天領域基本保持平衡,而體育用品在碳纖維應用的比例則持續下降,碳纖維應用逐漸從航空航天、體育用品向民用工業應用轉移,特別是隨著大絲束碳纖維的大規模生產,其價格將不斷降低,民用工業用量將繼續保持大幅度增加的趨勢。文體用品方面,目前碳纖維材料已從釣魚竿和高爾夫球棒推廣到網球拍、羽毛球拍、高爾夫球桿、冰雪運動器材、水上運動器材等方面,需求量穩步、較快增長。其中高爾夫球桿、網球拍和釣魚竿是體育用品用碳纖維復合材料的三大支柱產品、約占該類產品的80%。一般產業對碳纖維材料的應用發展比較迅速,包括基礎設施的修復、更新和加固;新能源開發如沿海油氣田、深海油田的鉆井平臺、管道和纜繩等,以及風力發電機的螺旋槳和風葉;汽車的剎車系統、轉動軸、車身以及環保汽車用的壓縮天然氣氣瓶;電子領域的應用主要有通信、廣播、地球觀測、空間探測以及各種飛行器的高精度天線。一般產業的需求增長較快,將成為碳纖維新的主要應用領域。
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