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碳纤维的主要应用领域及近期技术进展

发布日期:2017-12-09 00:00 来源:http://www.cedar-composites.com 点击:

 碳纤维是最重要的无机高功能纤维,这点是由其资料赋性、工业技能复杂性、运用范畴重要性和商场规模性等要素决议的,其首个商场化运用是1972年市售的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后,碳纤维运用快速向以航空航天器主结构资料为代表的高端化开展。碳纤维最首要的运用方式是作为树脂资料的增强体,所构成的碳纤维增强树脂具有优异的归纳功能,其在导弹、空间渠道和运载火箭,航空器,先进舰船,轨迹交通车辆,电动汽车,卡车,风电叶片,燃料电池,电力电缆,压力容器,铀浓缩超高速离心机,特种管筒,公共基础设施,医疗和工业设备,体育休闲产品,以及时尚生活用具等碳纤维改装十六个范畴,有着实践和潜在的运用。下文将对上述范畴中碳纤维的运用及其近期的技能发展加以总述。

 

 

CFRP作为导弹、空间渠道和运载火箭的要害资料

 

 

碳纤维是现代宇航工业的物质基础,具有不行代替性。CFRP被广泛运用于导弹兵器、空间渠道和运载火箭等航天范畴。在导弹兵器运用方面,CFRP首要用于制作弹体整流罩、复合支架、仪器舱、诱饵舱和发射筒等主次承力结构部件;在空间渠道运用方面,CFRP可确保结构变形小、承载力好、抗辐射、耐老化和空间环境耐受性杰出,首要用于制作卫星和空间站的承力筒、蜂窝面板、基板、相机镜筒和抛物面天线等结构部件;在运载火箭运用方面,CFRP首要用于制作箭体整流罩、仪器舱、壳体、级间段、发动机喉衬和喷管等部件。现在,CFRP在航天器上的运用已日臻老练,其是完成航天器轻量化、小型化和高功能化不行或缺的要害资料。

 


 

 

CFRP作为航空器的结构资料

 

 

在大型先进飞机中,CFRP被广泛用作主承力结构资料。且在近期研发成功的新式飞艇中,CFRP也被用做结构资料。

20世纪70年代中期的石油危机是碳纤维运用于飞机制作的直接原因。为缓解动力危机,其时的美国政府启动了“飞机节能方案(AircraftEnergy Efficiency Program)”。现代飞机机身选用钢、铝、钛等金属和复合资料制成。为节省燃油和进步运营效益,减轻机身质量一直是飞机规划制作技能中的中心挑战之一。而CFRP在飞机机身制作上的老练运用为减轻飞机机身质量供给了最有用的途径。例如,以金属资料为主制成的波音767飞机(CFRP用量仅占3%)机身质量为60t,而将CFRP用量提升到50%时,新式波音767飞机机身质量下降到48t,仅此就极大地提升了该型飞机的动力和环境效益。

正在研发的波音777X型飞机和最新投产的波音787型飞机,机身复合资料的用量都达到了50%。波音777X型飞机是波音公司以波音777飞机为基型,正在开发的一种大型双引擎客机,方案首架飞机于2020年交给投入运营。波音777X飞机的主翼由CFRP制成,其翼展长约72m(235英尺),是现在客机中翼展最长的机型之一。翼展越长,升力越大,因而,波音777X的单座燃油耗费和运营本钱都十分有竞争力。


 

此外,CFRP机翼不只强度高、柔性好,且结尾可折叠,这样多数机场都能满意其宽翼展的停机需求。波音787飞机的主翼和机身等主承力结构都选用日本东丽公司TORAYCA品牌的碳纤维预浸料制作。2005年11月,东丽公司与美国波音公司签署了一项为期10年的协议,为波音787梦想号(Boeing 787 Dreamliner)飞机供给碳纤维预浸料。2015年11月,东丽公司宣布与美国波音公司达成归纳协议,将为波音公司出产的787和777X两型飞机供给价值约110亿美元的碳纤维预浸料。波音公司方案进步787飞机的月产量,将从2015年的10架进步到2016年的12架、2020年的14架;一起,大型模块的比率也将进步,这将极大地促进对CFRP的需求。为确保波音787飞机月产量达12架后的资料供给,坐落美国华盛顿州塔科马市(Tacoma,Washington)的东丽复合资料(美国)公司已于2016年1月完成了扩产;一起,日本东丽公司决议投资约4.7亿美元,在其收买的斯帕坦堡县(Spartanburg County,South Carolina)厂区内建造包含原丝、碳纤维和预浸料在内的一体化出产线,规划年产能为2000t,这是东丽公司初次在美国建造一体化的碳纤维出产线,以用于研发波音777X飞机和满意月产14架波音787飞机的需求。

2016年8月,英国最新研发的“空中之恋10号(Airlander 10)”大型飞艇完成了其处女航。这架飞艇是一种轻于空气的航天器,被规划用来履行侦察、监督、通讯、货品与救援物资的运送,以及乘客交通等。该飞艇选用日本可乐丽(Kuraray)公司出产的聚芳酯(Vectran)织物作蒙皮,蒙皮内充满了带压氦气;其形状结构资料选用CFRP,最大化地减轻了飞艇自身质量。无人值守的情况下,该飞艇一次可最长在空中漂浮5天。


 

 

 

CFRP作为先进舰船船体结构

 

CFRP对进步舰船的结构、能耗和机动功能等十分显着。

瑞典在船艇制作技能方面有着传统优势,其夹层复合资料技能居国际一流水平,较早便选用CFRP技能研发军用舰船。2000年6月下水的瑞典水兵维斯比号护卫舰(Stealth Visby)是国际第一艘在舰体结构中选用CFRP的水兵舰艇。该舰长73.0 m、宽10.4 m、吃水深度2.4 m、排水量600 t;舰体选用CFRP夹层结构,具有高强度、高硬度、低质量、耐冲击、低雷达和磁场信号,以及吸收电磁波等优异功能。


因为本钱原因,虽船只中很多运用CFRP还有待时日,但其已实践用于制作民用新概念船艇和军用舰船要害部件。2010年,德国Kockums公司为瑞典探险家制作了一条简直悉数选用CFRP的新概念太阳能探险船——TuANor PlanetSolar。该船长31.0 m、宽15.0 m,以太阳能为动力。2010年9月,瑞典探险家Raphael Domjan驾驭该船出海,开端举世探险飞行。

CFRP还已用于舰船推进器叶片、一体化桅杆和先进水面舰艇上层建筑的制作。

低噪声、安静运转是军用舰船范畴的一项中心技能,是舰船(特别是潜艇)功能的要害目标。因为螺旋桨高速工作时,其桨叶片上会发生时灭的空泡,导致桨叶剥蚀,并伴有激烈的振荡和噪声。CFRP叶片不只更轻、更薄,还可改善空泡功能、下降振荡和水下特性、削减燃油耗费。例如,日本中岛推进器有限责任公司研发出产的CFRP大型货轮螺旋桨,已于2014年5月安装在太鼓丸号(Taiko Maru)化学品货轮上;英国罗伊斯罗尔斯公司为班尼蒂游艇出产了CFRP原料的推进器体系。

此外,隐身也是评估军用舰船先进性水平的一项重要目标。进步隐身功能有必要减小舰船体的雷达反射截面,并下降其光学特性。在曩昔,舰船上层建筑上都竖立着多根缀满各种鞭状和条状的天线桅杆,它们极大地阻碍了舰船在勘探设备中的隐身能力。1995年,美军开端研讨一体式桅杆体系,其将各种天线规划成平面形或球形阵列,并集成于选用能反射电波的复合资料制成的一体式桅杆体系中,可防风雨和盐雾的损害。且更进一步的是,美军下一代作战舰艇的整个上层建筑都选用复合资料制作。2016年10月,美国水兵举行了其首艘朱姆沃尔特级驱逐舰(Zumwalt-classdestroyer)的入列典礼。该舰是美国水兵的下一代主战舰艇,其集成了当今最顶级的水兵舰船技能,舰体造型、电驱动力、指挥操控、情报通讯、隐身防护、侦测导航、火力装备等功能均具逾越性。特别值得注意的是,该舰上层建筑及内嵌天线体系由美国雷神公司担任规划制作,选用了一体化模块式复合资料结构(IDHA),质量轻、强度高、耐锈蚀、透波性好,具有极佳的隐身功能,被发现概率低于10%。


 

 

 

CFRP作为轨迹交通车辆的车体结构

 

 

轻量化是削减列车运转能耗的一项要害技能。金属制作的轨迹列车,虽车体强度高,但质量大、能耗高。

CFRP是新一代高速轨迹列车车体选材的要点,它不只可使轨迹列车车体轻量化,还可以改善高速运转功能、下降能耗、减轻环境污染、增强安全性。当时,CFRP在轨迹车辆范畴的运用趋势:从车箱内饰、车内设备等非承载结构零件向车体、构架等承载构件扩展;从裙板、导流罩等零部件向顶盖、司机室、整车车体等大型结构开展;以金属与复合资料稠浊结构为主,CFRP用量大幅进步。

因为车载设备简直没有减重空间,因而,车身和内部装饰就成为了轻量化的要点对象。2000年,法国公营铁路公司(SNCF)选用碳纤维复合资料研发出双层 TGV型挂车;韩国铁道科学研讨院(KRRI)以此为基础,研发出运转速度为180 km/h 的TTX型摆式列车车体,其选用不锈钢增强骨架,侧墙体和顶盖选用铝蜂窝夹芯,蒙皮选用CFRP构成的三明治结构,车体外壳总质量比铝合金结构下降了40%,且车体强度、疲劳强度、防火安全性、动态特性等功能杰出,并于2010年投入商业化运营。

2011年,韩国铁道科学研讨院(KRRI)研发出CFRP地铁转向架构架,质量为 635 kg,比钢质构架的质量削减约30%。日本铁道归纳技能研讨所(JRTI)与东日本客运铁道公司(East Japan RailwayCompany)联合研发的CFRP高速列车车顶,使每节车箱减轻300~500 kg。2014 年9月,日本川崎重工(Kawasaki)研发的 CFRP 构架边梁,其质量比金属梁削减约40%。


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