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碳纤维的主要应用领域(二)

发布日期:2017-12-16 00:00 来源:http://www.cedar-composites.com 点击:

英国资料体系试验室关于资料对轿车轻量化和下降出产本钱的研讨表明,轿车质量每减轻10%,油耗可下降6%。现有资料中,CFRP的轻量化作用最好;加之,轿车规划和复合资料技能的快速开展。这些都使得CFRP在轿车制作范畴的运用速度远远超出人们的预期。
BMW公司BMWi型车的推出引领了这一潮流。2008年,BMW公司在慕尼黑召开会议,意图是让城市交通技能发作完全的革新,其建立了一个“i方案”的智库,仅有的使命就是“遗忘曾经所做的一切,从头考虑一切”。2009年,该智库形成了一个全新的节能概念——“BMW有用动力愿景”,奠定了BMW公司后续研讨的思维根底,它要求对车身和驱动体系进行专门的规划,以抵达全新的节能性,而此前的主意都是将已有的节能技能集成到既有的模板中。2011年,BMW公司确立了“天然生成电动(Born Electric)技能”,创立了BMWi品牌,其让人们在日常驾驭出行顶用上了全电动动力;同年,第一款全电动BMWi3概念车完结技能演示。

 
2012年,兼具高能效和更优异运动跑车功能的BMWi8概念车推出,其选用CFRP、铝和钛等轻质资料,完结了打破含义的减重;同年,全新BMW i3电驱动体系(eDrive Propulsion System)推出,完结了零排放。2013年,BMW i3完结量产。2014年,BMW i8完结量产。2016年,BMW公司在美国拉斯维加斯消费电子展上推出BMW i 未来互动愿景概念车;一起推出BMWi3(94Ah)型新车,该车整车质量仅1245kg,一次充电续航路程可达200km,且百公里加速时刻7.3s,灵活性共同。
其间,BMW i3选用“LifeDrive”模块化车身架构规划,由乘员座舱(Life)模块和底盘驱动(Drive)模块两部分组成。乘员座舱模块又称生命模块,其构成驾乘人员的乘用空间,选用CFRP制成的生命模块,质量轻、安全性十分高,且乘用感宽阔、均称。底盘驱动模块又称eDrive驱动体系,其结构由铝合金制成,集成了电机(最大功率125kW,最大扭矩250N?m)、电池和燃油发动机等动力部件。
BMW公司经过与SGL轿车用碳纤维资料(SGL Automotive CarbonFibers)公司协作,历经10多年研发,开端出产自己所需的碳纤维。其BMWi3型车中生命模块的制作工艺:将碳纤维织成织物后浸润于专用树脂中,制成预浸料;将预浸料热定型成刚性车身零件;选用专门开发的技能,将车身零件全自动地黏合成完好的车身部件。所得CFRP碳纤维改装车身具有极高的抗压强度,能承受更快的加速度,整车的敏捷性和路感都十分好。
 
 
CFRP作为新概念货运货车的车体结构
 
 
国际零售业巨头沃尔玛(Walmart)公司在28个国家的63个区域具有11500家门店。其在美国具有1支由近6000辆货车组成的货车车队,它们会将产品送至遍及于美国的数千家门店。该车队为坚持继续的生存才能和功率,一向以“行进路程更少,运送量更多”为方针,依托前进司机驾驭技能、选用先进牵引挂车、改进进程与体系谋划等办法,完结2007~2015年间车队行进超480万km,运送集装箱数超8亿,运送功率较2005年前进84.2%。
其间,牵引挂车的功能对完结“多拉少跑”的方针联系严峻,故沃尔玛公司投入巨资展开“沃尔玛先进车辆体验”的新概念货车研讨方案。已研发的新概念货车集成了空气动力学、微型涡轮混合动力驱动体系、电气化、先进操控体系,以及CFRP车体等前沿技能。首要技能立异:先进的空气动力学规划,全体造型高雅,气动功能较现行的Model 386型货车前进20%;微型涡轮混合电力驱动体系清洁、高效、节油;司机座位规划于驾驭室中心,具有180°的视界;电子仪表盘可供给定制化的量程和功能数据;滑动型车门和折叠型台阶前进了安全和安保功能;空间宽阔的驾驭室设有带折叠床的可伸缩卧室。牵引挂车的整个车身选用CFRP制成,顶部和侧墙均选用16.2 m(53英尺)长的单块板材,其优异的力学功能可保证车体的结构强度;选用先进黏结剂黏合,最大极限地削减了铆钉数量;凸鼻形的造型规划可在充沛保证载货容量的前提下,有用前进气动功能;低剖面LED灯光更节能、经用。
现在,该方案已完结84%的使命量,但仍有许多立异性技能有待继续研发。能够预见,沃尔玛公司的新概念货车对推进货车技能的前进和拓宽碳纤维的运用,有十分大的作用。

 
 
 
CFRP作为风电叶片的增强结构
 
 
风能是最具本钱优势的可再生动力,风能发电在近10年来已取得飞速开展。到2016年5月,全球风电装机容量已近4270亿MW。并据预测,2020年前,新增风电装机才能将按25%的年添加率递加;到2020年,风力发电量将占国际总发电量的11.81%。
为前进风力发电机的风能变换功率,增大单机容量和减轻单位千瓦质量是要害。20世纪90年代初期,风电机组单机容量仅为500kW,而现在,单机容量10MW的海上风力发电机组都已产品化。风电叶片是风电机组中有用捕获风能的要害部件,叶片长度 随风电机组单机容量的前进而不断添加。依据顶旋理论,为取得更大的发电才能,风力发电机需安装更大的叶片。1990年,叶轮直径(Rotor Diameter)为25m;2010年,叶轮直径已达120m。2011年,Kaj Lindvig预测海上风机的叶轮直径2015年将达135 m,2020年将抵达160m。但这一预测很快就被打破,美国超导公司(AmericanSuperconductor Corp.)2016年已投入商场销售的10 MW海上风力发电机的叶轮直径就已达190 m。但因叶片长度的问题,业界就是否需开展10MW及以上才能的风力发电机存有争议,但干流观念是需求开展的。西门子风电(Siemens Wind Power)公司首席技能官以为:面积与体积的联系的科学规律将终究约束叶轮直径的不断添加,但现在还未抵达极限,制作10MW风力发电机在技能上是可行的;且从运营效益上看,下降每兆瓦时的运营本钱,有必要前进风力发电机的容量。
叶轮直径的添加对叶片的质量及抗拉强力提出了更轻、更高的要求。CFRP是制作大型叶片的要害资料,其可弥补玻璃纤维复合资料(GFRP)的功能缺乏。但长期以来,出于本钱要素,CFRP在叶片制作中只被用于樑帽、叶根、叶尖和蒙皮等要害部位。近年,跟着碳纤维价格稳中有降,加之叶片长度进一步加长,CFRP的运用部位添加,用量也有较大前进。2014年,中材科技风电叶片股份有限公司成功研发出国内最长的6MW风机叶片,该叶片全长77.7m、质量28t,其间主梁由5t的国产CFRP制成。如选用GFRP规划,则该叶片质量将约达36t。
 
 
碳纤维纸作为燃料电池的电极气体分散资料
 
 
燃料电池是指不经过焚烧,直接将化学能转化为电能的一种装置。燃料电池在等温条件下工作,其运用电化学反响,将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,是一种备受瞩意图清洁动力技能,转化功率十分高(除10%的能量以废热方式糟蹋外,其他的90%都转化成了可运用的热能和电能)且环境友好;而相较之下,运用煤、天然气和石油等化石燃料发电时,60%的能量以废热的方式糟蹋,还有7%的电能糟蹋在传输和分配进程中,只有约33%的电能能够真正用到用电设备上。
各类燃料电池中,质子交流膜燃料电池(PEMFC)的功率密度大、能量变换率高、低温发动性最好,且体积小、便携性好,是抱负的轿车用电源。质子交流膜燃料电池由阴极、电解质和阳极这3个首要部分组成,其工作原理如下。
(1)阴极将液氢分子电离。液氢流入阴极时,阴极上的催化剂层将液氢分子电离成质子(氢离子)和电子。
(2)氢离子经过电解质。位于中心区域的电解质答应质子经过抵达阳极。
(3)电子经过外部电路。由于电子不能经过电解质,只能经过外部电路,故而形成了电流。
(4)阳极将液氧电离。液氧经过阳极时,阳极上的催化剂层将液氧分子电离成氧离子和电子,并与氢离子结合生成纯水和热;阳极承受电离所发生的电子。可将多个质子交流膜燃料电池衔接起来组成燃料电池组,可前进电能的输出量。
美国联合技能(United Technologies)公司是全球军民用燃料电池产品技能的抢先企业。联合技能动力(UTC Power)公司原是United Technologies公司的一个业务部门,其产品广泛用于航天器、潜艇、修建、公交巴士和家用轿车等范畴。20世纪90年代前期,UTC Power公司便已制作出大型固定式燃料电池电站,并投入商业化运转。尔后10多年,UTC Power公司都在致力于公交巴士和家用轿车用燃料电池技能的研发。2005年12月,UTC Power公司研发的燃料电池在混合动力公交车上投入运用,由千棕榈阳光车道运送(SunLine Transit)公司在美国加利福尼亚州的千棕榈镇(Thousand Palms,CA)投入商业试运营。
2008年以来,由于打破了本钱和寿数等技能瓶颈,燃料电池的商业化运用取得实质性开展。美国巴拉德动力公司(Ballard Power SystemsInc.)研发出产的F Cvelo City型燃料电池,是专为公交巴士和轻轨研发的第七代可扩展式模块化燃料电池,运用该燃料电池可组成30~200 kW的电源。2015年6月上市的85 kW级的F Cvelo City型燃料电池,首要用于电动公交巴士。
碳纤维纸作为一种高功能复合资料,是制作燃料电池质子交流膜电极中气体分散层必不行少的多孔分散资料。气体分散层(GDL)构成气体从活动槽分散到催化剂层的通道,是燃料电池的心脏,是膜电极组(MEA)中十分重要的支撑资料,其首要功能是作为衔接膜电极组和石墨板的桥梁。气体分散层可协助催化剂层外部生成的副产品——水赶快流走,防止积水形成溢流;还可协助在膜的外表坚持一定水份,保证膜的导电率;燃料电池运转进程中,协助坚持热传导;此外,供给满意的力学强度,在吸水扩展时坚持膜电极组的结构安稳性。
在质子交流膜燃料电池和直接甲醇燃料电池中,一起运用碳纤维纸和碳纤维布作为气体分散层的综协作用更好。每辆燃料电池电动轿车约需耗费碳纤维纸100m2(即8kg)。
2016年9月法国阿尔斯通公司发布了其最新研发的全球首辆液氢燃料电池电动火车。该车属阿尔斯通公司Coradia iLint系列的区域型列车,是依据2014年与德国下萨克森州、北莱茵威斯特伐利亚州、巴登符腾堡州及黑森州的公共交通部门签定的一项内部意向而研发的新一代零排放燃料电池动力火车。最新发布的液氢燃料电池电动火车悉数选用老练技能研发,车顶装有氢燃料电池,乘客舱底部装有锂电池、变流器和电动机,它将开辟燃料电池更大的运用商场空间,促进碳纤维纸技能的进一步开展。

 
 
 
CFRP作为电力电缆的芯材
 
 
电能是生发日子必需的一种常备动力。电能在从发电厂运送至用电场所的进程中,存在着严峻的线损问题。线损即指输电、变电、配电等电力运送环节发生的电能耗费。
增大架空线中传输的电流会形成电缆发热。若此刻电缆原料耐热功能差,则电缆的承载力会下降,进而发生弧垂。而弧垂既是一个重要的线损源,也是约束架空线前进传输容量的首要要素。
钢芯铝导线中的增强钢芯受热即发生弧垂,超过70℃时弧垂会使电缆严峻下垂,更有可能与附近物体触摸导致短路,甚至落至地上危及人员生命于安全。由弧垂引发的短路会使附近的架空线和变压器瞬间过载,引起灾难性毛病。自承式铝绞线虽能答应短暂的、较高的运转温度(150℃),但也无法防止弧垂的发生。
复合资料芯材铝导线(ACCC)以复合资料芯材代替金属芯材,为处理架空线弧垂问题开辟了更有用的技能途径。2002年,基于ACCC专利技能,全球供配电设备技能抢先企业——美国CTC公司展开了产品的研发,以期将其投入运用。当时的开发方针是,在不对现有架空线承载塔架做任何变动且不添加现行导线质量或直径的前提下,开发CFRP芯材来承载铝导线,以下降热弧垂、增大塔架间隔、承载更大电流、削减线损、前进供电网络可靠性等。2005年,该公司初次推出商业化的ACCC导线产品,其研发出产的CFRP芯铝导线的强度是同等质量钢芯铝导线的2倍、传输的电流容量是其他芯材铝导线的2倍、线损较其他芯材铝导线下降了25%~40%,其高容、高效和低弧垂等功能远远逾越了其他原料芯材铝导线。
经对比,钢芯的直径显着大于CFRP芯的直径,这使得CFRP芯铝导线可多容纳28%的铝导线,然后增大了电流的经过才能。
 
 
CFRP作为压力容器的环绕增强资料
 
 
高压容器首要用于航空航天器、舰船、车辆等运载工具所需气态或液态燃料的贮存,以及消防员、潜水员用正压式空气呼吸器的储气。为了能在有限空间内尽可能多地存储气体,需对气体进行加压,因而,需前进容器的承压才能,对容器进行增强,以保证安全。
20世纪40年代,美国开端兵器体系用复合资料增强高压容器的研讨。1946年,美国研发出纤维环绕压力容器;20世纪60年代,又在北极星和土星等类型的固体火箭发动机壳体上选用纤维环绕技能,完结了结构的轻质高强。1975年,美国开端研发轻质复合资料高压气瓶,选用S-玻纤/环氧、对位芳纶/环氧环绕技能,制作复合资料增强压力容器。
后来,科学家们纷繁研发出由玻纤、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶和PBO纤维等增强的多种先进复合资料。其间,对位芳纶曾很多用于各种航空航天器用压力容器的环绕增强,后逐步被碳纤维所取代。20世纪70年代,纤维环绕金属内衬轻质压力容器被很多用于航天器和兵器的动力体系中;20世纪80年代,碳纤维增强无缝铝合金内衬复合压力容器呈现,其使压力容器的制作费用更低、质量更轻、可靠性更高。复合资料增强压力容器具有决裂前先走漏的疲惫失效模式,前进了安全性。因而,全环绕复合资料高压容器已在卫星、运载火箭和导弹等航天器中广泛运用。阿波罗(Appolo)登月飞船曾运用的钛合金球形氦气瓶,其容积92L、爆炸压力≥47MPa、质量26.8kg;而规范航空航天用钢内衬复合氦气瓶质量20.4kg,铝内衬复合氦气瓶质量11.4kg,无内衬复合气瓶质量仅为6.8kg(相较于钛合金球形氦气瓶质量削减了75%)。
高功能纤维是全环绕纤维增强复合压力容器的首要增强体。经过对高功能纤维的含量、张力、环绕轨迹等进行规划和操控,可充沛发挥高功能纤维的功能,保证复合压力容器功能均一、安稳,爆炸压力离散差小。车用高压Ш型氢气瓶(金属内胆全环绕)的资料本钱中,近70%为增强纤维,其他约30%为内胆和其他资料。
20世纪30年代,意大利率先将天然气用做轿车燃料。前期车用气均运用钢质气瓶,其厚重问题一直约束着钢质气瓶的扩展运用。20世纪80年代初,玻璃纤维环向增强铝(或钢)内胆的复合气瓶诞生。由于环向增强复合气瓶的轴向强度欠佳,故其金属内胆仍然较厚。为处理此问题,一起对环向和轴向进行增强的全环绕纤维增强复合气瓶应运而生,其金属内胆的厚度大幅减薄,质量显著减小。20世纪90年代,以塑料作为内胆的复合气瓶呈现。新动力轿车范畴,高压气瓶的运用首要是燃料电池动力轿车用高压储氢气瓶,其压力已抵达70 MPa。
 
 
CFRP作为铀浓缩超高速离心机的高速转子资料
 
 
民用核电反响堆燃料组件中二氧化铀的铀235含量为4.0%~5.0%,而在制作核弹所需的核燃料中,铀235含量至少要在90.0%以上。
天然铀矿石的首要成分是铀238,其间铀235仅占0.7%。工业上,常选用气体分散法进行铀浓缩,虽然该办法出资大、耗能高,但却是现在仅有可行的办法。铀235和铀238的六氟化铀气态化合物,两者质量相差不到百分之一。加压别离时,这不到百分之一的质量差会促进铀235的六氟化铀气态化合物能以稍快的速度经过多孔隔阂。每经过1次多孔隔阂,铀235的含量就会稍有添加,但增量十分细小。因而,为取得纯铀235,需让六氟化铀气体数千次地经过多孔隔阂。工业加工就是让六氟化铀气体反复地经过级联的多台离心机,完结对铀235的浓缩。
铀浓缩气体离心机技能是核燃料出产的要害,是衡量核技能水平的重要标志。铀浓缩气体离心机具有高真空、高转速、强腐蚀、高马赫数、长寿数、不行修理等特色,其研发触及机械、电气、力学、资料学、空气动力学、流体力学、计算机运用等多学科的理论和技能,难度十分大。离心机中转子的转速与气体别离功率直接相关。转子转速越高,气体别离功率也越高。因而,保证转子转速在60000r/min以上,是铀浓缩气体离心机最基本的功能要求。而这么高的转速便对转子的原料提出了十分严苛的要求。金属原料的转子底子无法抵达如此高的转速,由于它无法跨越共振频率,金属原料的转子一旦抵达共振频率便会碎裂;而CFRP制成的转子则不存在这一问题,其可耐受更高的转速。因而,早在20世纪80年代,CFRP就已被用于制作铀浓缩气体离心机的高速转子。且跟着CFRP技能的前进,CFRP制成的转子可耐受更高的转速,铀浓缩功率大幅前进。
鉴于CFRP高速转子在铀浓缩出产中的重要作用,西方国家一向对非核国家禁运气体离心机用CFRP高速转子。
 
 
CFRP作为特种管筒的增强资料
 
 
与压力容器长时刻继续耐压不同,枪管、炮管、液压作动筒等特种管筒需在较长时刻内高频次地承受和开释高压。由碳纤维环绕或预浸料包覆增强的此类特殊用处的承压管筒,在减轻自身质量、改进散热、前进精度、延长寿数等方面作用十分显着。
美国普鲁夫试验公司(PROOF Research)是一家总部位于美国蒙大拿州的科技企业,该公司研发了一款CFRP增强枪管。其将先进复合资料技能与热-机械规划原理相交融,并选用了航空专用碳纤维和航天高温树脂,研发出新一代运动用和军用枪馆。与钢质枪管比较,CFRP增强枪管自身质量最高可减小64%,射击精度可达比赛级要求。此外,该公司研发的CFRP增强枪管在规划与制作工艺上习惯了碳纤维的纵向(即沿枪管长度方向)热分散率特性,能更有用地经过枪管壁散热,极大地前进热分散功率,且枪管能快速冷却,并可在继续开战状态下更长时刻地坚持射击精确度,是被美国军队仅有验证过的CFRP增强枪管。
CFRP技能在枪管上的成功运用很快推行到对各式炮管的增强。一起,运用CFRP增强的特种液压作动筒也已面市。
 
 
CFRP作为公共根底设施建造用的要害资料
 
 
桥梁是重要的交通根底设施。在建造跨江河、跨海峡的大型交通通道中,需修建很多大跨度的桥梁。悬索桥是超大跨度桥梁的终究处理方案。
但跨径增大会使得悬索桥钢质主缆的强度运用率、经济性和抗风安稳性急剧下降。现在,在大跨度悬索桥中,高强钢丝主缆自身质量占上部结构恒载的份额已达30%以上,主缆应力中活载所占份额减小。如跨度1991m的日本明石海峡大桥,钢质主缆应力中活载所占份额仅约为8%。
此外,跨径增大还会下降桥梁的气动安稳性。有研讨表明,从气动安稳性角度考虑,2000m的跨径是加劲梁断面和缆索体系悬索桥的跨径极限。而改进结构抗风功能需处理好前进结构全体刚度、操控结构振荡特性和改进断面气动特性等3个问题。大跨度悬索桥的结构刚度取决于主缆的力学功能。CFRP的力学特性使得其成为了大跨度悬索桥主缆的优选资料。运用悬索桥非线性有限元专用软件BNLAS,研讨主跨3500m的CFRP主缆悬索桥模型的静力学和动力学功能最优结构体系,得出:CFRP主缆自身质量应力百分比大幅下降,活载应力百分比前进到13%(钢主缆为7%),结构的竖弯、横弯及改变基频大幅前进;CFRP主缆安全系数的添加将前进结构的竖向和改变刚度;增大CFRP主缆的弹性模量可大幅减小活载竖向挠度,前进竖弯和改变基频。
总归,CFRP主缆可显着前进大跨径悬索桥的全体功能。
此外,修建与民用工程范畴是最早将碳纤维用于结构增强的。经过在桥梁等修建物上铺覆碳纤维织物,可前进水泥结构体的经用性,以及水泥结构修建物的抗震功能。
未来,CFRP很可能成为当之无愧的修建资料。国际各国都在加速技能开发,使CFRP能直接用作修建结构资料。如,运用CFRP的导电性制作修建用电磁防护资料;在CFRP中嵌入传感器制作智能修建资料,运用传感器传送的数据实时把握修建物结构可能遭到的损害。

 
 
 
CFRP在医疗器械和工业设备范畴的运用
 
 
在医疗器械范畴,运用其X射线全透射性,其被用于制作X光检查仪用移动渠道;运用CFRP优异的机械功能,其被用于制作骨科用和器官移植用等医疗器械,以及制作假肢、矫形器等恢复产品。
由短切碳纤维与质量分数占10%~60%的尼龙或聚碳酸酯模塑成型的CFRP部件,质量轻、厚度薄、抗静电、抗电磁,在电子信息产品如笔记本电脑、液晶投影仪、照相机、光学镜头和大型液晶显示板等中运用广泛。加之CFRP具有优异的抗撕裂功能,还可用于制作轴承、辊轴、管材等产品,其强度与钢质产品相同,但质量可大幅下降。
 
 
CFRP在体育休闲用品范畴的运用
 
 
体育休闲用品是CFRP最早进入商场化的运用范畴。跟着性价比的前进,这一范畴已形成了对CFRP的安稳需求。滑雪板、滑雪手杖、冰球杆、网球拍和自行车等,是CFRP在体育休闲用品中的典型运用。

 
 
 
碳纤维作为时髦元素资料
 
 
碳纤维自身具有的乌亮色泽,以及其机织物和环绕物构成的纹路、走向和质感,为时髦规划师们供给了丰厚的幻想空间和造型元素。现在,运用碳纤维制成的服装饰品有鞋、帽、腰带、首饰、钱包(夹)、眼镜架等,旅行用品有行李箱等,居家用具有桌、椅、浴缸等。所有这些制品都展现出了碳纤维高冷、坚韧、骄傲和高雅的时髦特质。它们既是日用品,又是艺术品,给人们的日子增添了极致豪华的技能和艺术享受。

 
综上可见,碳纤维在很多范畴有着广泛的运用。运用商场的不断细分还将推进碳纤维技能的差别化开展,将有更多、更好的碳纤维制品被制作出,以促进社会绿色开展、满意人们多样化的日子需求。
 

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