碳纖維是新型材料的一種，展現(xiàn)出了非常優(yōu)異的高性能性，被稱(chēng)為“新材料之王”“黑色黃金”。現(xiàn)如今非常多的領(lǐng)域中都有其身影，小到錢(qián)夾、魚(yú)桿，大到高鐵、飛機(jī)、衛(wèi)星都是碳纖維大展身手應(yīng)用的領(lǐng)域。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)大力開(kāi)展碳纖維技術(shù)研發(fā)，近年來(lái)取得非常顯著的成果，完成了大絲束高性能碳纖維的生產(chǎn)，使得我國(guó)成功躋身宇航級(jí)碳纖維技術(shù)的國(guó)家。并且在國(guó)內(nèi)的航空航天等高性能行業(yè)領(lǐng)域中成功的完成碳纖維制品的生產(chǎn)。本文就帶大家更深度的了解碳纖維材料的神奇之處。
碳纖維的神奇之處
第一是細(xì)如發(fā)絲，細(xì)如發(fā)絲其實(shí)表達(dá)都不夠，碳纖維直徑只有5-8微米，大概是頭發(fā)絲的十分之一，這給碳纖維帶來(lái)了更多可能性，能夠多絲束整合，帶來(lái)更高的性能優(yōu)勢(shì)。
第二是輕如鴻毛，碳纖維絲密度很低，只有1.6g/cm3，是鋼的五分之一、鈦的五分之二、鋁的五分之三。這在輕量化應(yīng)用上面，能夠起到非常好的效果，實(shí)際的應(yīng)用上，比如一輛碳纖維自行車(chē)，重量只有5kg，一個(gè)女性就能輕松提起來(lái)。包括碳纖維應(yīng)用的擔(dān)架、行李箱產(chǎn)品也能夠變得更輕松，那對(duì)于飛機(jī)、汽車(chē)來(lái)說(shuō)，就為碳環(huán)保、能耗降低了非常多，同時(shí)在降低自重的情況下，又能夠使得性能得到非常好的提升。
第三是強(qiáng)如鋼鐵，在碳纖維材料制品的應(yīng)用上面，更多的就是取締傳統(tǒng)的鋼鐵產(chǎn)品，碳纖維材料的強(qiáng)度非常高，軸向強(qiáng)度可以達(dá)到鋼材的八倍。更高模量的碳纖維絲束，一束12K的碳纖維可以輕松承受130kg的重量。
第四是穩(wěn)如磐石，碳纖維具有良好的耐腐蝕性能。碳纖維可以耐受各種酸、堿、油等腐蝕介質(zhì)，甚至在海洋環(huán)境下也能表現(xiàn)出較好的抗腐蝕性能，超過(guò)了黃金和白金。這使得碳纖維在航空航天、海洋工程等領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用的潛力，可以延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。它的膨脹系數(shù)接近0，在負(fù)100攝氏度到正100攝氏度之間，它的尺寸基本保持不變。具有非常好的抗疲勞性。
第五是耐溫如巖，碳纖維本身就是在經(jīng)過(guò)幾千攝氏度下提煉出來(lái)，含碳量高達(dá)90%以上的無(wú)機(jī)纖維，使其在高溫環(huán)境下依然保持穩(wěn)定，可承受高達(dá)3000攝氏度的溫度而不受損。這使得碳纖維在航空航天、能源等領(lǐng)域中扮演著重要角色，能夠應(yīng)對(duì)極端條件下的工作要求。(制作成為產(chǎn)品需要看其基體的耐高溫性。)
碳纖維的高性能應(yīng)用
眾所周知，碳纖維是新能源、節(jié)能環(huán)保、高端裝備制造、新能源汽車(chē)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新型結(jié)構(gòu)材料，更是大型飛機(jī)、衛(wèi)星、船舶等裝備研制和更新?lián)Q代的重要基礎(chǔ)。
2017年之前，我國(guó)的碳纖維以進(jìn)口為主，自2017年始，國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)能擴(kuò)張加速。2019年，中國(guó)碳纖維產(chǎn)量首次超過(guò)萬(wàn)噸，之后便開(kāi)始一路狂飆。2021年，中國(guó)大陸的碳纖維產(chǎn)能首次超過(guò)美國(guó)，并成為世界上最大的碳纖維生產(chǎn)國(guó)，2022年中國(guó)碳纖維的國(guó)產(chǎn)化率首次超過(guò)一半。當(dāng)前中國(guó)碳纖維市場(chǎng)已占全球55.1%的份額，具有舉足輕重的地位。短短幾年時(shí)間，中國(guó)碳纖維行業(yè)就實(shí)現(xiàn)了國(guó)外60年的發(fā)展。
第一，高性能需求領(lǐng)域，航空航天領(lǐng)域就是碳纖維復(fù)合材料重要的應(yīng)用領(lǐng)域，中國(guó)已經(jīng)成為世界上第三個(gè)自主擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家，在這方面碳纖維是功不可沒(méi)的。北斗衛(wèi)星，看起來(lái)就像一座房子帶著兩只翅膀，它的房子和翅膀都是用碳纖維復(fù)合材料做的。
首先，衛(wèi)星要裝足夠多的儀器設(shè)備，要求它的結(jié)構(gòu)重量比要小于5%，所以必須用碳纖維;其次，衛(wèi)星的天線、相機(jī)等設(shè)備要求很高的精度，要解決熱變形的問(wèn)題，碳纖維正好有這方面的優(yōu)勢(shì)，所以現(xiàn)在包括北斗衛(wèi)星在內(nèi)的高性能衛(wèi)星都是碳纖維復(fù)合材料化的衛(wèi)星。
第二，日常生活領(lǐng)域，你比如體育競(jìng)技領(lǐng)域上，碳纖維在體育器材上已經(jīng)應(yīng)用廣泛。碳纖維的網(wǎng)球拍現(xiàn)在已經(jīng)成為冠軍選手必備的裝備。用碳纖維制作的網(wǎng)球拍，最高球速可以達(dá)到每小時(shí)將近250公里，但是高性能的鋁合金網(wǎng)球拍只能達(dá)到每小時(shí)200公里左右，速度提高了20%以上。剛剛退役的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員費(fèi)德勒，就是用Pro staff這種碳纖維網(wǎng)球拍獲得了20屆大滿(mǎn)貫的冠軍。
第三，之后高性能工業(yè)革命應(yīng)用，碳纖維將是第四次工業(yè)革命一個(gè)重要物質(zhì)支撐。即將到來(lái)的星際航行、清潔能源和人工智能時(shí)代，碳纖維也將大有作為。人類(lèi)要進(jìn)入宇宙空間，要探索月球，要進(jìn)行載人登月，要探測(cè)火星，也有可能要進(jìn)行載人火星探測(cè)，要探索其他行星和小行星。無(wú)論進(jìn)入宇宙空間到駐留宇宙空間，再到探索宇宙空間，包括今后建立宇宙空間的科考站，碳纖維都是不可或缺的。
你包括之后的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能化機(jī)器人將會(huì)在更多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，那這些智能化機(jī)器人在實(shí)際的應(yīng)用中，對(duì)于自身的結(jié)構(gòu)重量就要求比較高，要更輕的質(zhì)量才能更好的完成續(xù)航，也能夠快速響應(yīng)。以及熱塑性碳纖維的研發(fā)如火如荼，更高性能表現(xiàn)下的碳纖維復(fù)合材料將會(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域中起到非常好的重要的作用。
