碳纖維各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛
碳纖維是發(fā)展國(guó)防軍工與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資，廣泛應(yīng)用于風(fēng)電葉片、航空航天、體育用品、汽車工業(yè)、混配模成型、壓力容器、建筑補(bǔ)強(qiáng)、電子電器等領(lǐng)域。2017年，風(fēng)電葉片依然是碳纖維第一大應(yīng)用領(lǐng)域，其消費(fèi)占碳纖維總需求量的23.5%；航空航天是除風(fēng)電葉片外的碳纖維第二大應(yīng)用領(lǐng)域，其消費(fèi)量占碳纖維總量的22.8%；體育休閑、汽車工業(yè)、混配模成型、壓力容器、建筑補(bǔ)強(qiáng)的消費(fèi)量分別占碳纖維總需求量的15.7%、11.6%、8.2%、6.7%、3.8%。
風(fēng)電葉片需求持續(xù)回暖
隨著地底礦業(yè)能源的不斷減少和大氣污染情況的日益嚴(yán)重，清潔可持續(xù)能源的發(fā)展利用逐漸被國(guó)家重視其中對(duì)環(huán)境影響很小的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目備受矚目。風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)機(jī)葉片是非常關(guān)鍵的一個(gè)部件，大型風(fēng)電設(shè)備對(duì)于葉片的強(qiáng)度、重量、結(jié)構(gòu)等有著嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)材料很難滿足要求，碳纖維這種性能優(yōu)秀的材料進(jìn)入行業(yè)視線。碳纖維要比玻璃纖維剛度大三倍，制作出來(lái)的碳纖維制品要比玻璃鋼性能優(yōu)秀很多。另外在其重量?jī)?yōu)勢(shì)也非常明顯，更輕的風(fēng)葉能夠降低風(fēng)力發(fā)電的成本，提升葉片的質(zhì)量和整套發(fā)電設(shè)備的總體性能。
全球風(fēng)電葉片對(duì)碳纖維的需求在2013年急劇下滑，主要原因是2013年國(guó)際新增裝機(jī)容量的下降。2014年以來(lái)，全球風(fēng)電葉片對(duì)碳纖維的需求持續(xù)回暖，2015年恢復(fù)了強(qiáng)勁增長(zhǎng)，2017年對(duì)碳纖維的需求量達(dá)1.98萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)10.0%。
航空航天應(yīng)用前景廣闊
碳纖維成為航空多部件的主要材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪等部位。在航天領(lǐng)域上，碳纖維材料的應(yīng)用更加廣泛，在導(dǎo)彈、火箭等發(fā)射筒以及發(fā)動(dòng)機(jī)、防熱層中都出現(xiàn)碳纖維的身影。大大降低了航天器的質(zhì)量，提升了航天器的運(yùn)輸能力。2011年以來(lái)，全球航空航天領(lǐng)域?qū)τ谔祭w維的需求量不斷增長(zhǎng)；2017年，全球航空航天碳纖維需求量為1.92萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)9.1%；預(yù)計(jì)到2023年，全球航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量有望超過(guò)3萬(wàn)噸，航空航天碳纖維應(yīng)用前景廣闊。
體育休閑需求實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)
目前，體育領(lǐng)域是全球碳纖維的第三大消費(fèi)領(lǐng)域，近年來(lái)全球體育領(lǐng)域每年消耗碳纖維都超過(guò)7千噸，自2014年到2017年之間，體育領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求平均每年保持24.6%的增長(zhǎng)速度。碳纖維在體育休閑領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于高爾夫球桿、釣魚竿竿、自行車、球拍、滑雪桿等體育用品。相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料用品，碳纖維材料可減重最高達(dá)50%以上。
汽車領(lǐng)域消費(fèi)不斷增加
汽車領(lǐng)域隨著人們對(duì)汽車要求的越來(lái)越高，汽車的輕量化與安全化、發(fā)動(dòng)機(jī)效率的高效化已經(jīng)成為當(dāng)代汽車消費(fèi)的主要參考因素之一，碳纖維材料則成為了理想的結(jié)構(gòu)材料。目前碳纖維廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的推桿、連桿、傳動(dòng)軸等多部件中，另外在汽車加速器、底盤懸置件、車門等多部件也有很大應(yīng)用。2017年全年，全球汽車行業(yè)對(duì)碳纖維材料的需求達(dá)到0.98萬(wàn)噸。
以上數(shù)據(jù)及分析均來(lái)自于前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2018-2023年中國(guó)碳纖維行業(yè)深度調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》。
]]>碳纖維不僅可以提高動(dòng)力重量比和加強(qiáng)碰撞保護(hù)，還可以讓Polestar 1的底盤達(dá)到高性能汽車該有的堅(jiān)固度。該車引擎蓋、后備箱、側(cè)擋板、門和整個(gè)車頂結(jié)構(gòu)都將采用碳纖維嵌板，Polestar還進(jìn)一步推出了“蜻蜓”結(jié)構(gòu)，與四年前蘭博基尼Huracán結(jié)構(gòu)類似。Polestar表示，蜻蜓形部件從根本上改善了車體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)（即底板中間和前后架構(gòu)之間）的抗扭剛度。眾所周知，車后部更堅(jiān)固，操作更好。
總而言之，碳纖維可以減輕Polestar 1汽車500磅以上的重量。與鋼材相比，碳纖維在車頂設(shè)計(jì)上更具優(yōu)勢(shì)。得益于碳結(jié)構(gòu)更薄更堅(jiān)固的物理特性，Polestar可以利用玻璃面板延長(zhǎng)車頂長(zhǎng)度和寬度，從而獲得更低的車頂弧線，并且車內(nèi)的部件不再突出，這意味著乘客可以看到更廣闊的湛藍(lán)天空。
Polestar首席執(zhí)行官兼沃爾沃前設(shè)計(jì)主管Thomas Ingenlath說(shuō)：“Polestar 1開(kāi)起來(lái)跟看起來(lái)一樣好，請(qǐng)注意，它加上好的配置絕對(duì)值155,000美元。”
來(lái)源：余秋云 蓋世汽車
]]>碳纖維布的特性
碳纖維布加固法能夠受到廣泛地認(rèn)同，與其優(yōu)異的性能離不開(kāi)關(guān)聯(lián)。從力學(xué)性能上看，碳纖維布的抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到普通鋼筋的8-10倍，而重量卻遠(yuǎn)低于鋼筋，加固時(shí)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)自重的增加基本可以忽略。同時(shí)碳纖維布的抗腐蝕性、耐久性要遠(yuǎn)優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)，能夠有效提高結(jié)構(gòu)耐腐蝕性與耐久性，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)方法修復(fù)后，混凝土腐蝕、耐久性降低再次出現(xiàn)的情況。
在施工方面，碳纖維布加固同樣存在較大的優(yōu)勢(shì)。碳纖維布質(zhì)軟，能適用于不同的結(jié)構(gòu)類型與形狀，加固后可以最大限度的保證構(gòu)件的原有外觀不變。碳纖維布施工無(wú)需濕作業(yè)與大型施工機(jī)械，可在不影響工廠正常生產(chǎn)的情況下施工，避免長(zhǎng)期停工引起經(jīng)濟(jì)損失。與傳統(tǒng)工藝相比碳纖維布加固法操作簡(jiǎn)單，施工效率高工期短，且質(zhì)量容易保證，已成為較成熟的施工工藝。
碳纖維布的運(yùn)用
碳纖維布加固法能夠針對(duì)不同構(gòu)件，起到不同的加固作用。首先，碳纖維布較高的抗拉強(qiáng)度可由于受彎構(gòu)件的加固中，例如梁、板，通過(guò)將碳纖維布粘貼至底部受拉區(qū)，可有效代替或補(bǔ)充鋼筋的受拉性能，提高受彎構(gòu)件的承載力。另外在樓板開(kāi)洞中，若洞口對(duì)板受力影響小時(shí)，還可在洞口周邊粘貼碳纖維布作為后加補(bǔ)償筋進(jìn)行加固。
另一方面，碳纖維布也可起到類似箍筋的作用，對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行抗剪加固。抗剪加固可以通過(guò)粘貼碳纖維布U型箍對(duì)梁加固，也可通過(guò)粘貼與軸線方向垂直的碳纖維布環(huán)形箍對(duì)柱加固。在抗剪加固中需要注意不同構(gòu)件的構(gòu)造措施須滿足要求，同時(shí)梁與方型柱的棱角必須打磨成圓弧狀，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中影響碳纖維布受力性能。
碳纖維布還可通過(guò)環(huán)向圍束或沿軸線粘貼至受拉邊緣的方式分別對(duì)軸心受壓與大偏心受壓構(gòu)件起到加固效果，當(dāng)鋼筋混凝土延性不足需要抗震加固時(shí)，也可采用碳纖維布環(huán)向圍束的方式加固。而對(duì)小偏心受壓構(gòu)件以及墻體來(lái)說(shuō)，碳纖維布僅能承受拉應(yīng)力而無(wú)法承受壓力，因此對(duì)二者的抗壓加固是起不到作用的。
需要注意的是，碳纖維布加固，是通過(guò)浸漬膠的粘接作用令碳纖維布與混凝土基材形成整體共同受力，以起到加固效果。也就是說(shuō)，浸漬膠對(duì)最終加固效果有直觀的影響。不同種類的浸漬膠可能會(huì)影響到加固系統(tǒng)的使用年限，以及復(fù)雜環(huán)境下加固系統(tǒng)的耐久性。因此，涉及結(jié)構(gòu)安全的加固中，碳纖維布與配套浸漬膠的選擇應(yīng)當(dāng)慎重。
]]>但是隨著強(qiáng)度更高、重量更輕的碳纖維材料被發(fā)明出來(lái)，鋁合金的地位明顯降低，尤其是在超跑領(lǐng)域，碳纖維大有取代鋁合金之勢(shì)。
全新奧迪R8便是很好的例子，之前老款?yuàn)W迪R8引以為傲的便是車架應(yīng)用大量鋁合金材料，如今全新奧迪R8已經(jīng)將車架中大量應(yīng)用碳纖維材料作為宣傳亮點(diǎn)。
除了在車架這些我們看不到的地方應(yīng)用碳纖維外，車身外飾件、內(nèi)飾件也越來(lái)越多的使用碳纖維材質(zhì)。在一些超級(jí)跑車上，輪圈甚至都是由碳纖維打造而來(lái)。鋁合金材質(zhì)的地位正逐步被取代。
]]>碳纖維復(fù)合材料特性
汽車車身的輕量化主要從車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇與替代兩個(gè)方面著手。在材料輕量化方面，目前仍以高強(qiáng)度鋼、鎂、鋁和塑料作為主要汽車材料組合，其中尤其以碳纖維最為出色，其優(yōu)越性幾乎可以完全替代鋼材料。其中以樹(shù)脂和金屬為基體的復(fù)合材料在車身上的應(yīng)用較為成熟，具有應(yīng)用于車身制造的諸多優(yōu)勢(shì)。
- 具有較高的強(qiáng)度。碳纖維復(fù)合材料具有目前常用材料中最高的比模量和比強(qiáng)度，用其制成與高強(qiáng)度鋼具有同等強(qiáng)度和剛度的構(gòu)件時(shí)，重量可減輕70%左右。
- 具有良好的抗疲勞性。碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞性能極佳。由于在疲勞載荷作用下的斷裂是材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，碳纖維復(fù)合材料中碳纖維與基體間的界面能有效阻止疲勞裂紋擴(kuò)展，而外加載荷由增強(qiáng)纖維承擔(dān)，因而疲勞強(qiáng)度極限比金屬材料和其他非金屬材料高很多。
- 碰撞吸能性好。碳纖維復(fù)合材料是汽車金屬材料最理想的替代材料，在碰撞中對(duì)能量的吸收率是鋁和鋼的4～5倍，減輕車身質(zhì)量的同時(shí)還能保證不損失強(qiáng)度或剛度，保持防撞性能，極大地降低了輕量化帶來(lái)的汽車安全系數(shù)降低的風(fēng)險(xiǎn)。
- 制造工藝性好。碳纖維復(fù)合材料的工藝性和可設(shè)計(jì)性好，通過(guò)調(diào)整CFRP材料的形狀、排布、含量，可滿足構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度等性能要求，能用模具制造的構(gòu)件可一次成型，減少緊固件和接頭數(shù)目，可以大大提高材料利用率。
車身輕量化對(duì)續(xù)駛里程的影響
目前汽車車身重量的3/4是鋼材，輕量化空間很大。研究表明，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車身質(zhì)量?jī)H172kg，而鋼制車身為367.9kg，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕量化效果達(dá)53%以上。
由于純電動(dòng)汽車受安裝的動(dòng)力電池的容量限制，其一次充電后的續(xù)駛里程過(guò)短，成為影響純電動(dòng)汽車推廣使用的一個(gè)重要因素。如果用碳纖維復(fù)合材料來(lái)制造車身，將車身減輕的質(zhì)量用于增加電池?cái)?shù)量，在保持整車質(zhì)量不變的情況下，可以大大提高續(xù)駛里程。
應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可以極大地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車輕量化來(lái)平衡電池組的重量，增加純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。當(dāng)然，蓄電池組的安裝需要合適的空間，在不減小乘用空間的基礎(chǔ)上，合理控制碳纖維復(fù)合材料輕量化程度，可增加蓄電池組容量，既保證一定的續(xù)駛里程，同時(shí)也避免過(guò)分CFRP化帶來(lái)的的高成本問(wèn)題。
碳纖維復(fù)合材料車身大規(guī)模應(yīng)用前景
制約碳纖維復(fù)合材料大范圍應(yīng)用的主要因素包括性價(jià)比、供應(yīng)商的結(jié)構(gòu)和能力、汽車發(fā)展和產(chǎn)品環(huán)境等影響。同時(shí)它的生產(chǎn)和加工技術(shù)還不夠成熟，應(yīng)用和研發(fā)成本較高，相關(guān)部門缺乏一定的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃等。
電動(dòng)汽車，尤其是純電動(dòng)汽車，對(duì)整車輕量化的迫切性比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車更強(qiáng)烈。整車輕量化可以車身輕量化為突破口。迄今為止的研究表明，碳纖維復(fù)合材料是最理想的車身輕量化材料。將碳纖維車身用在純電動(dòng)汽車上，可以在一定程度上抵消目前動(dòng)力蓄電池比能量不夠的問(wèn)題。
]]>汽車行業(yè)碳纖維使用現(xiàn)狀
在包括汽車在內(nèi)的其他行業(yè)，近幾年對(duì)碳纖維需求量增長(zhǎng)非常迅速，預(yù)計(jì)2020年將增長(zhǎng)至每年14萬(wàn)噸。碳纖維在機(jī)動(dòng)車行業(yè)使用壽命為15年，在航空領(lǐng)域是20到25年，并且目前的飛機(jī)機(jī)身碳纖維占比為40%，所以在未來(lái)10年到20年，市場(chǎng)上會(huì)有大量的碳纖維材料需要去回收，中國(guó)2017年4月份出臺(tái)了《循環(huán)發(fā)展引領(lǐng)行動(dòng)》，10月份推出《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南》，里面都提到碳纖維復(fù)合材料的回收再利用。
如今除了寶馬I3碳纖維復(fù)合材料占比達(dá)50%，大部分燃油車依然是使用鋼材或者合金車身，新能源車之前多采用全鋁車身和碳纖維車身，隨著動(dòng)力的增強(qiáng)，為了削減成本也開(kāi)始使用鋼鐵以及合金，比如特斯拉Model S采用全鋁車身，現(xiàn)在新款Model 3換成了鋼、鋁混合車身，寶馬I3將換成鋼、鋁、碳混合車身，國(guó)產(chǎn)新能源汽車更多是小型車，多采用低成本全鋁合金框架，整體汽車行業(yè)碳纖維使用率較低，難以實(shí)現(xiàn)極致的輕量化，碳纖維的回收勢(shì)在必行。
高效率回收仍面臨技術(shù)難關(guān)
首先熱固性的聚合物不能直接加熱重新塑型，并且而且回收材料往往摻雜污染物，如金屬以及塑料的碎屑，如果想要讓目前的回收技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，就必須要解決成本問(wèn)題，在2018車用材料（西青）國(guó)際論壇中來(lái)自諾丁漢大學(xué)的孟凡然教授帶來(lái)了他們的實(shí)驗(yàn)成果。
目前的碳纖維回收工藝主要分為三種，機(jī)械法、化學(xué)法以及熱解法，機(jī)械回收方法并不適用于汽車用碳纖維復(fù)合材料的回收，且化學(xué)法回收仍然局限于實(shí)驗(yàn)室階段，距離工業(yè)化生產(chǎn)還有較大差距，因此目前熱解法是目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料回收技術(shù)。
目前的碳纖維回收工藝主要分為三種，機(jī)械法、化學(xué)法以及熱解法，機(jī)械回收方法并不適用于汽車用碳纖維復(fù)合材料的回收，且化學(xué)法回收仍然局限于實(shí)驗(yàn)室階段，距離工業(yè)化生產(chǎn)還有較大差距，因此目前熱解法是目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料回收技術(shù)。
實(shí)驗(yàn)所采用的是熱解法中流化床的回收工藝，首先將廢料裝填進(jìn)流化床，流化床經(jīng)過(guò)500度以上的高溫，回收的聚合物通過(guò)氧化清除之后，剩下的就是碳纖維。碳纖維再經(jīng)過(guò)回收流程予以收集，剩下的廢氣可以進(jìn)行循環(huán)，整個(gè)流程可以回收廢物當(dāng)中的碳纖維，有效的分離污染物和碳纖維，包括其中的雜質(zhì)。并且利用廢氣的循環(huán)降低整個(gè)流程的耗能，實(shí)現(xiàn)了能量回流，擁有良好的市場(chǎng)前景。
不過(guò)回收的碳纖維和傳統(tǒng)材料是不一樣的，不能直接用于最終產(chǎn)品的制造，要用回收的碳纖維去進(jìn)行中間的處理，包括纖維的分布、懸浮、熱干燥等過(guò)程，最后還需要將得到的碳纖維進(jìn)行排列，利用旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)箍可以對(duì)纖維的方向進(jìn)行校正和統(tǒng)一，最后得到經(jīng)過(guò)調(diào)整和排列的碳纖維材料，用來(lái)生成高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料。
從回收料分解到后面復(fù)合物生產(chǎn)以及機(jī)動(dòng)車零部件生產(chǎn)，很多的變量都影響著回收的成本，包括輸送廢料的速度以及廢料的品質(zhì)，送料較快時(shí)能量消耗明顯減少。
同時(shí)，如果從全生命周期來(lái)看，再生碳纖生產(chǎn)的整車燃油經(jīng)濟(jì)性為20%到60%不等，回收的復(fù)合物可以降低溫室氣體排放，在進(jìn)行排列之后能夠帶來(lái)更高的強(qiáng)度，再生碳纖維的性能相較傳統(tǒng)材料，依然有明顯的優(yōu)勢(shì)。
來(lái)源：第一電動(dòng)網(wǎng)? 作者： 王寧
]]>據(jù)報(bào)道在汽車工業(yè)中使用的碳纖維材料越來(lái)越多，這是驅(qū)動(dòng)汽車市場(chǎng)發(fā)展的因素之一。現(xiàn)在，汽車行業(yè)更傾向于使用節(jié)能、剛性和輕質(zhì)材料，以減少對(duì)環(huán)境的破壞，但加劇了原型設(shè)備制造商（OEM）和汽車制造商之間的競(jìng)爭(zhēng)，這可能會(huì)使碳纖維、鋁和鎂在內(nèi)的許多先進(jìn)材料更多的應(yīng)用在汽車上。
不過(guò)，該報(bào)告還指出影響這個(gè)市場(chǎng)的一個(gè)挑戰(zhàn)，即碳纖維的高價(jià)格和昂貴的研發(fā)費(fèi)用。樹(shù)脂和碳纖維等原材料價(jià)格的上漲增加了供應(yīng)商的采購(gòu)成本，使得碳纖維的平均價(jià)格高達(dá)每磅40美元至50美元。增加的采購(gòu)成本有一小部分是由碳纖維供應(yīng)商負(fù)擔(dān)，而主要份額則造成了客戶購(gòu)買的高價(jià)，這可能是汽車市場(chǎng)未來(lái)的挑戰(zhàn)。
來(lái)源：中國(guó)粉末冶金商務(wù)網(wǎng)
]]>據(jù)了解，輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料在日常生活中具有廣泛的應(yīng)用，尤其是在航空、航天、汽車以及運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域。然而，碳纖維復(fù)合材料在制備和使用時(shí)存在諸多缺點(diǎn)：合成碳纖維需要高溫（超過(guò)2500攝氏度）石墨化，成本較高；由于較弱的界面作用，碳纖維與聚合物基體之間容易發(fā)生分層；碳纖維復(fù)合材料的電學(xué)性能較低，不能滿足特殊應(yīng)用需求。而新材料可在45攝氏度以下的室溫進(jìn)行制備，強(qiáng)度與碳纖維復(fù)合材料相當(dāng)，成本更加低廉，易實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模化制備。此外，這種薄膜材料的拉伸斷裂強(qiáng)度是普通石墨烯薄膜的4.5倍，韌性是后者的7.9倍。
程群峰介紹，該研究通過(guò)原位拉曼表征，從分子尺度揭示了π—π共軛鍵和共價(jià)鍵有序界面交聯(lián)作用的強(qiáng)韌機(jī)制，為制備高性能石墨烯納米復(fù)合材料提供了重要理論指導(dǎo)。同時(shí)，這種小分子有序交聯(lián)的石墨烯復(fù)合薄膜還具有高導(dǎo)電性能、高電磁屏蔽性能，以及優(yōu)異的抗腐蝕性能和耐疲勞性能。
來(lái)源：《人民日?qǐng)?bào)》 （2018年05月11日 01 版）
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