碳纤维复合材料在工业领域如何应用?

除了传统的航空航天领域外,碳纤维在工业上的应用技术发展很快。由于碳纤维复合材料刚度强、抗弯能力突出等特点使其在风力发电这一应用领域上大显身手,可将资源丰富、无污染的风能为人们所用;利用碳纤维复合材料轻质、高强等特点使其在汽车工业上显著提高汽车的整体性能并节省燃油。在倡导低碳经济的今天,采用碳纤维作为工业新材料,对于节能、降耗、减排意义日渐凸显。碳纤维材料还可在超低温(-180℃)、超高温(3000~3500℃)及强腐蚀环境下依然保持自我,使一些材料在急冷急热及高强腐蚀等极端环境下正常使用成为可能。(1) 碳纤维连续抽油杆

有杆泵抽油是当前国内外应用最广泛的机器采油技术。当前,世界上采油井总数的90%是机械采油,其中有杆泵抽油又占85%左右,约75%的石油是靠杆抽出来的。机械泵采油系统的关键部件之一是抽油杆。由于钢制抽油杆在柔性、耐腐蚀及重量与强度等方面的不足,使其不能适应超深井高、腐蚀井采油的需要,碳纤维连续抽油杆抗疲劳性能好,107次疲劳试验后,剩余强度为90%,而钢制抽油杆的剩余强度仅为30%~40%,因此,采用碳纤维连续抽油杆大大延长了油杆的使用寿命。而且碳纤维连续抽油杆柔韧性好,最小曲率半径为300mm,杆的连续长度可达千米以上,整个抽油杆只有上、下两个接头,降低了断脱的概率,有利于机械化作业。

接头和安全保险装置外,还开发了新型作业车、矿场计算机软件,以及与工业化生产现场作业配套的相关技术。而且碳纤维连续油管作业车同时兼顾连续油管升井、下井功能,实现了采油领域一体化作业。

目前,该碳纤维连续抽油杆将相继在新疆油田深井或超深井中下井采油,必将产生良好的经济效益,特别是节能效果明显。

(2) 碳纤维风力发电叶片

煤炭、石油、核能、水力、太阳能、风能为人类活动的六大能源。风能的优点是资源丰富,无污染,发电成本低廉,已成为人类开发新能源的重要领域。风能作为一种清洁的可再生能源而逐渐被人们重视,开发和利用风能资源不仅可以为21世纪寻找新的替代能源,而且有利于环境保护。预计未来5年,风能发电的市场需求将以每年20%~35%的速度增长,在工业各领域中用量最大。

风力发电机的发电效率与风力发电叶片的长度、面积及材质有着密切的关系。叶片的材料越轻、强度和刚度越高,叶片抵御载荷的能力就越强,叶片就可以做得越大,它的捕风能力也就越强。传统的风力发电叶片多使用玻璃纤维增强材料(GFRP) 制造,由于受刚度所限,难于制成长叶片。1980年以前,风力叶片平均长5m左右,经过10年的发展,叶片的长度已达到35m。随着单机功率的增大,要求叶片长度不断增加。根据国外有关资料报道,当风力机超过3MW、叶片长度超过40m时,玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限,因此,轻质高强、耐久性好的复合材料成为目前大型风力发电叶片的首选材料。

由于CFRP 叶片刚度是GFRP 叶片的2~3倍,因此,采用CFRP制作的风力发电机叶片已超过40m。VESTA 8989 SV-90型风力发电机叶片长44m,德国的Nordex Rotor开发的风力叶片长度达56m,丹麦的LM 公司研制出了61.5m 长的玻璃纤维尸碳纤维混杂复合材料叶片,单片叶片的重量接近18t,成为世界上最大的复合材料叶片“巨人”。

目前国内实力强、潜力大的风电叶片制造企业主要有:LM,Vestas,Gamesa 等为代表的外资企业和以保定惠腾、中复连众、中材科技、天津东汽、国电、上海玻钢院等为代表的内资企业。截至2009 年年底,我国境内的风电机组叶片厂商超过了60家。

我国加快风力发电发展速度的同时,也为国内大型复合材料叶片的开发提供了一个不可多得的发展机遇。面临着巨大的市场需求和强劲的国际竞争,我国发展大型复合材料叶片的机遇与挑战共存。

(3) 压缩天然气罐

汽车排放的尾气是当今社会的一大公害。天然气中的90% 以上的成分是甲烷,甲烷属于清洁能源。用天然气取代传统的燃油后,汽车尾气排放的CO2及SOx、NOx量大大降低,有利于抑制温室效应。因此将汽车用的燃油改为天然气将是今后减少汽车尾气排放的重要措施。

天然气依靠压缩罐解决其贮存问题。对于压缩罐,其技术特点是:轻质、安全。压缩罐的材质有钢材、轻合金、玻璃钢和碳纤维复合材料。钢制气瓶的容积质量系数为O.3~0.5kg·L-1,GFRP为O.6~0.8kg·L-1,CFRP为1.1~1.4kg·L-1,即采用CFRP制成的压缩罐质量最轻。随着碳纤维市场价格的下降,CFRP天然气贮罐的性价比优势越来越明显。

制造天然气压缩罐的碳纤维一般采用高强中模、细直径碳纤维,拉伸强度在4.5~5.5GPa,拉伸模量在305~420GPa,单丝直径在5.O~5.3μm 范围内,满足压缩罐的高压、刚性和压缩强度、层间剪切强度等技术要求。

众所周知,压缩天然气瓶已在汽车上大量使用,而最近伊纤维公司开发了燃料电池汽车所需的CFRP高压氢气瓶,内胆采用铬钼不锈钢,实现了高强度和低成本的目的,并取得了高压气保安协会的认定。该公司现每年生产85万个高压气体容器,是世界上最大的生产厂家,同时已累积生产15万个汽车用的压缩天然气瓶。这次所开发的压缩氢气瓶因选用CrMo钢内胆,提高了耐氢气、发脆特性,可耐超过11250次高压充填氢气,与采用铝合金胆相比,抗拉伸强度提高3倍。由于容器壁薄了,其质量与铝制品同级,而成本低50%以上。

(4) 汽车工业

目前碳纤维材料在民用量产汽车、尤其是中档汽车上的应用也十分广泛。在巴黎2010 JEC复合材料展览会上,可以看到,复合材料在汽车上得到广泛应用。汽车用碳纤维复合材料按功能可分为结构件、装饰件和功能件;按部位可分为车身、底盘和座舱等,可具体细化为翼子板、车顶板、底盘、行李箱板、门内板、轮毂、引擎罩、避震弹簧、传动轴结构加强和耐热件等,可谓琳琅满目、品种繁多。

因此,碳纤维材料在汽车领域的应用越来越多,也越来越广泛,相信在不久的未来,汽车排放越来越“低碳”,而汽车本身则会越来越“高碳”。

1.汽车车身 随着大丝束碳纤维价格的进一步降低和全球对环保要求的不断提高,CFRP在汽车工业上的应用比例将会越来越高,已从只用于汽车内外装饰材料拓宽到汽车车身、传动轴及底盘等。梅赛德斯-奔驰新推出的SLR迈凯轮超级跑车的车身和乘坐舱几乎全部采用CFRP,车速达到334Km·h-1同时由于CFRP 的有效吸收碰撞能量的能力是钢或铝的4~5倍,使乘员得到最大限度的安全保障。目前,世界正在研发用于低成本碳纤维材料,成本与钢铁汽车相当的“碳纤维汽车” 有望在2015年前后实现商品化。

汽车工业大量采用新材料使其轻量化,可显著提高汽车的整体性能并节省燃油。降低汽车的耗油技术主要有两个方面: 一是减少行驶阻力;二是提高机械效率。而减少行驶阻力最有效的措施是减轻车的质量;提高机械效率的主要措施是改善发动机的有效功率。试验表明,用碳纤维复合结构材料取代钢体本身,可减少30%以上的车身自重,从而提高30%的燃油效率。至今,没有任 何一项技术能像CFRP一样如此迅速帮助汽车制造商达到他们产品减重的目的。CFRP在有效减重、优化外形、降低腐蚀及凹陷、改善噪声及振动阻尼、在高速撞击下保护乘员安全等众多方面可谓无与伦比。虽然目前只用于豪华轿车车型,但预计未来将会在大众车型中推广。

2.汽车轮毂 德国轮毂制造专家Wheel Sandmore推出的“Megalight-Forged-Series”轮毂系列: 采取2片式设计,外环为碳纤维材质打造、内毂为轻量化的合金,搭配不锈钢制的螺丝,较一般同尺码可减轻重量40%左右。

(5) 碳纤维复合材料电缆芯

伴随着电能需求的不断提升以及传统的电线易出现受高温而变松、被积雪压断等问题,采用碳纤维复合材料作为电缆的加强芯便应运而生,它不仅可以解决上述问题,同时可以加大铁塔之间的墩距。中国、北美、南美等地区使用碳纤维增强材料电缆芯的需求量在不断扩大。

碳纤维复合芯电缆具有以下优点。

1.重量轻。碳纤维复合芯的密度是钢密度的1/4。因此,架空电缆的杆塔跨距可增长,减少塔杆数约为16%,同时减少占地面积。

2.强度高,破断力大。ACCC拉伸强度是普通钢丝的1197倍,是高强度钢的117倍,破断力可提高30%。同时,由于ACCC 强度高,使铝绞线几乎不受拉力,可提高其使用寿命。

3.线路损耗小。碳纤维复合材料是一种非磁性材料,当通过交流电时不会产生磁滞损耗和涡流损耗,可减少输电损耗6%左右。同时,由于ACCC采用梯形铝线,外表更加光滑,减少了电晕损失。

4.耐腐蚀,使用寿命长。采用碳纤维复合芯棒可避免在通电时铝线与镀锌钢丝之间的电化学腐蚀。同时,碳纤维芯棒外层为绝缘层,使芯棒与铝线完全绝缘,不存在接触电位差,使铝导线免受电腐蚀。

5.线膨胀系数小,弛度小。ACCC电缆可适应昼夜温差、冬夏温差的变化。我国购买国外碳纤维复合芯铝绞电缆在许多电网中开始试用的同时,国内研发这种新型电缆也正在进行。我国从美国复合材料技术公司(CTC) 购买ACCC,通过在实际电网中试用,以促进其在我国的推广使用,提高国内输电技术水平,满足社会对电力的需求。

碳纤维复合芯铝导线的应用是新材料在输电领域应用的发展方向,对我国电网建设和升级改造、提高电网的输送能力及安全运行水平以及促进国产碳纤维的可持续发展具有重大的现实意义和战略意义。预计在十二五期间,将形成高性能碳纤维复合芯50000km·a-1的生产能力,并开发出10~500kV系列输电复合材料杆塔产品,建成一条独立的复合材料杆塔生产线,实现产业化建设。

(6) 建筑补强

碳纤维轻质、高强、耐腐蚀能力强、柔韧性好,是建筑物、桥梁、隧道、烟囱等结构体及结构体中的梁、板、柱、墙等构件的加固补强理想材料。碳纤维作为加固材料在我国有巨大的应用市场。

建筑物在使用中不断受到损伤而影响安全使用,最有效而经济的方法是对其加固修补。碳纤维复合材料在加固修补混凝土结构中的应用,在国内已经引起重视,并着手研究与开发。国外20 世纪80 年代末开发了碳纤维复合材料加固修补建筑物新技术,并在90年代得到广泛应用。1994 年日本发生的地震已证明碳纤维复合材料的加固作用。在国内,碳纤维复合材料已在台湾省地震后的修补和重建中发挥了重要作用。

使用碳纤维进行加固和修补的方法是:首先用补缝材料填充裂纹,其次用打底树脂刷在建筑物的表面便于粘劳碳纤维,再次将玻璃纤维-碳纤维混编的网格布或碳纤维于片粘贴在树脂上,最后用耐老化修补树脂刷涂。

应用碳纤维复合材料对建筑补强已经在全球应用。在道路、桥梁等各种建筑物中作为补强材料,对延长建筑物的使用寿命、强化防震能力、降低风险方面具有积极的意义。在新型建筑物中使用碳纤维,可以建造出比以往规模大、高性能的结构物。

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