CAC2025 广(guang)州先进(jin)陶(tao)瓷(ci)论坛(tan)暨(ji)展览(lan)会
2025年5月26-28日 美丽豪酒店(广州番禺店)
纤维(wei)增强复(fu)合材(cai)料(Fiber Reinforced Polymer:FRP) 是由增强纤维(wei)材(cai)料与基体材(cai)料经过缠绕、模压或拉挤等成型工(gong)艺而形成的(de)复(fu)合材(cai)料,而目前潜力巨(ju)大、最受关注(zhu)的(de)一类莫过于碳纤维增(zeng)强(qiang)复合材料(liao)(CFRP)了。碳(tan)纤维材(cai)料具备高性能(neng)、高壁(bi)垒两个显(xian)著特点,有(you)“黑黄金(jin)”之称,与各种基体(ti)(ti)经过复合(he)工(gong)艺后制成的碳(tan)纤维复合(he)材(cai)料,可以(yi)应用(yong)在航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天、军(jun)事工(gong)业、风力发电(dian)叶片(pian)、汽车构件、体(ti)(ti)育(yu)休闲产(chan)品(pin)等(deng)其(qi)他工(gong)业和民用(yong)领域,是世界范围内都非常重视的新产(chan)业。
碳纤(xian)维增强(qiang)复合材料(liao)的性能优势
相比于(yu)传统的高(gao)性(xing)(xing)能纤维(wei)玻纤、玄武岩(yan)纤维(wei)等(deng)(deng),碳纤维(wei)具有重(zhong)量轻/低密(mi)度(du)(密(mi)度(du)是钢的1/5、铝合(he)金的1/2)、高(gao)强(qiang)度(du)、高(gao)模量、耐高(gao)温(2000℃以上强(qiang)度(du)不降)、耐腐(fu)蚀(耐海(hai)水及(ji)各(ge)种酸(suan)碱盐等(deng)(deng)介(jie)质腐(fu)蚀)、热膨胀(zhang)系数小(急(ji)(ji)冷急(ji)(ji)热下尺寸(cun)稳定性(xing)(xing)高(gao))、导(dao)热/导(dao)电(dian)性(xing)(xing)能独特(可用于(yu)电(dian)加热及(ji)军工屏蔽防护)等(deng)(deng)性(xing)(xing)能优势。
主要高性能材料性能对比(bi)
由于综合(he)性(xing)能极强,高性(xing)能碳纤维可用于制造(zao)导弹、战(zhan)机等国(guo)防(fang)重(zhong)器(qi),长期以来一直在美国(guo)对华(hua)的(de)禁(jin)运清单中,与原(yuan)子能、半(ban)导体(ti)(ti)核心(xin)技术等同(tong)列(lie),战(zhan)略地位极高,其最重(zhong)要的(de)应用,便(bian)是(shi)结合(he)基(ji)体(ti)(ti),制作出(chu)相应的(de)复合(he)材料部件(jian),应用于各大中高端关键领(ling)域。
碳纤维产业(ye)链(lian)
碳纤(xian)维增强复合材料的性能(neng)优(you)势主要有以下(xia)几(ji)点(dian):
(1)高强度(du)轻量化。碳(tan)纤(xian)维复合材(cai)料制(zhi)品(pin)最(zui)明显(xian)的优势是轻质量、高(gao)强(qiang)度,可(ke)以(yi)替代(dai)许(xu)多(duo)金属(shu)材(cai)料制(zhi)品(pin),能够在(zai)保证强(qiang)度的情(qing)况下实现轻量化(hua)需(xu)求,这一特性使碳(tan)纤(xian)维复合材(cai)料在(zai)无人机、箱体、汽(qi)车(che)、航空航天等领域有着很好地应用(yong);
(2) 耐腐(fu)蚀。碳纤(xian)维复合(he)材(cai)料属于非金属复合(he)材(cai)料,其(qi)(qi)化(hua)学(xue)活(huo)性极低,基本不与酸碱(jian)盐等(deng)发生化(hua)学(xue)反应(ying),这就使其(qi)(qi)在(zai)一(yi)些特(te)殊(shu)环境中有着(zhe)很(hen)好的(de)市场(chang)应(ying)用,比(bi)如深海(hai)油田(tian)、高铁车厢(xiang)等(deng);
(3)耐(nai)磨损,抗(kang)冲击性能好。碳纤维复合材料生(sheng)产的(de)(de)产品(pin)耐(nai)摩(mo)擦系数小,这(zhei)导致(zhi)其产品(pin)具有(you)很高的(de)(de)耐(nai)磨损性(xing)能,大大的(de)(de)提升了产品(pin)的(de)(de)整个的(de)(de)寿命(ming),可(ke)用(yong)于连接件、传动轴、辊轴等产品(pin)制作(zuo)。优秀(xiu)的(de)(de)抗冲击性(xing)能能吸收更多(duo)的(de)(de)伤害,从而(er)起(qi)到(dao)很好的(de)(de)保护(hu)作(zuo)用(yong),这(zhei)一(yi)性(xing)能在(zai)赛(sai)车、头盔(kui)中有(you)着(zhe)充分体现;
(4)耐疲劳性能好。碳纤(xian)维复合材(cai)料在外力的(de)作(zuo)用下(xia),可以将(jiang)力均匀(yun)地分布到每根丝束上,拥有非常好的(de)耐(nai)疲(pi)劳性能(neng),使(shi)产品蠕变小,适(shi)合用于高(gao)精密设备,可用于机械臂(bei)和空间望远镜镜筒的(de)制(zhi)作(zuo),并且碳纤(xian)维复合材(cai)料耐(nai)高(gao)温,在太空极限的(de)环境中也丝毫不(bu)惧;
(5)X射(she)线透(tou)过(guo)率大、具有电波屏蔽(bi)性。X射线透(tou)过率大(da)可使碳纤维复合材料加工成(cheng)放射医疗(liao)床板,使人(ren)体(ti)成(cheng)像更清晰,并(bing)且减少放射剂量对人(ren)体(ti)的伤害。电磁屏(ping)蔽能够(gou)保证装备的隐蔽性,这一点在军工产品中体(ti)验地淋漓尽(jin)致(zhi),比如隐形(xing)飞机、军用运输箱、方舱等。
2021年(nian)碳纤维及(ji)树脂(zhi)基(ji)复合材料需求应用分布概况
(来源(yuan):中(zhong)国复合材料学会)
碳(tan)纤维增(zeng)强复合材料的几种重(zhong)点(dian)应用(yong)
从(cong)全(quan)球(qiu)需(xu)求来看,碳纤维下(xia)游相对分散,风电叶片(pian)(主梁、梁帽(mao))、航空航天(飞机构件)、体(ti)育休闲(球(qiu)拍/钓具等(deng))、压力容器(氢气(qi)瓶(ping))为(wei)主要(yao)应用领域(yu)。
在这些应用中(zhong),体育需(xu)求(qiu)占据(ju)着我国下游应用的30%,需(xu)求(qiu)量(liang)保持稳步增长(zhang);航空(kong)航天虽(sui)然用量(liang)不高,但单价(jia)远超出(chu)其(qi)他(ta)领(ling)域(yu),未来随着军工开支有望稳步增长(zhang);近年来碳(tan)纤维因其(qi)良好的性(xing)能广泛应用于风电叶片、光(guang)伏(fu)硅晶热(re)场(chang)材料(liao)(碳(tan)碳(tan)复(fu)材)、缠绕复(fu)合材料(liao)储氢气(qi)瓶等,显著(zhu)受益于新能源行业增长(zhang)。
1.风电新能源:风电机叶片(pian)的应用
风电机叶(ye)片(pian)是一(yi)个复合材(cai)料(liao)制(zhi)成(cheng)的(de)薄壳结构,一(yi)般(ban)由叶(ye)片(pian)大梁、腹(fu)板(ban)、外蒙皮组成(cheng),复合材(cai)料(liao)在整个风电叶(ye)片(pian)中(zhong)的(de)重量一(yi)般(ban)占到(dao)90 %以上。现(xian)阶段玻(bo)纤增强复合材(cai)料(liao)仍(reng)为叶(ye)片(pian)制(zhi)造(zao)主流选(xuan)项。
碳纤维(wei)主(zhu)要(yao)用作(zuo)(zuo)(zuo)风电叶片(pian)(pian)的主(zhu)梁或分(fen)段叶片(pian)(pian)连(lian)接区域(yu),承担主(zhu)要(yao)荷载(zai)作(zuo)(zuo)(zuo)为(wei)结构材料;其次是用在(zai)塔架前缘(yuan),通过加热除冰(bing),作(zuo)(zuo)(zuo)为(wei)功能材料,但用量(liang)少。事实上当叶片(pian)(pian)超过一定尺寸(cun)后,碳纤维(wei)叶片(pian)(pian)反而比(bi)玻(bo)纤叶片(pian)(pian)便宜,因为(wei)材料用量(liang)、劳动力、运输和安(an)装成本等都下降。
风(feng)机大(da)(da)(da)容(rong)量、大(da)(da)(da)叶片(pian)已成(cheng)为趋(qu)势,随着我国风(feng)电(dian)建设进(jin)程(cheng)的(de)(de)快速推进(jin),风(feng)电(dian)也一跃(yue)成(cheng)长为当前碳(tan)纤(xian)维下游领域应用(yong)规模(mo)中最(zui)大(da)(da)(da)的(de)(de)部分(fen),碳(tan)纤(xian)维复合材(cai)(cai)料(liao)(liao)比玻(bo)璃纤(xian)维复合材(cai)(cai)料(liao)(liao)具(ju)有(you)更(geng)低(di)的(de)(de)密度,更(geng)高(gao)的(de)(de)强度,其突破了玻(bo)璃纤(xian)维复合材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)性能极限(xian),而且可以保证风(feng)电(dian)叶片(pian)在增加长度的(de)(de)同时,重量大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)降低(di)。在当前风(feng)机持续(xu)大(da)(da)(da)型化的(de)(de)趋(qu)势下,碳(tan)纤(xian)维渗(shen)透率(lv)将持续(xu)提升。
风电机叶片
2.光伏新能源:光伏热场(chang)材料的应用
碳/碳复合材料指(zhi)以碳纤维为(wei)增强体(ti),以碳或碳化(hua)硅等为(wei)基体(ti),通过加工处理和碳化(hua)处理制成的全碳质复合材料,凭借质量轻、耐烧灼、抗热冲(chong)击、高(gao)温(wen)强度高(gao)、损(sun)伤容限(xian)高(gao)、可设计性强等优良性能逐步成为(wei)主流(liu)热场材料。
以往主流的(de)等静压(ya)石墨作为由石墨颗粒压(ya)制(zhi)成型的(de)脆性材(cai)(cai)料(liao),已经在安全性方(fang)面不(bu)能适应(ying)(ying)大热场的(de)使(shi)用(yong)(yong)要求,在经济性方(fang)面也已经落后(hou)于碳(tan)(tan)基复合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)。随着(zhe)国内(nei)先(xian)进碳(tan)(tan)基复合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)制(zhi)备(bei)技术的(de)发(fa)展(zhan),先(xian)进碳(tan)(tan)基复合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)成为降低硅(gui)晶(jing)(jing)体制(zhi)备(bei)成本、提高(gao)(gao)硅(gui)晶(jing)(jing)体质量(liang)的(de)最优选择,正逐步形成在晶(jing)(jing)硅(gui)制(zhi)造热场系统中(zhong)对(dui)石墨材(cai)(cai)料(liao)部(bu)件的(de)升级换代,主要应(ying)(ying)用(yong)(yong)于单(dan)晶(jing)(jing)拉制(zhi)炉和多晶(jing)(jing)铸锭炉的(de)热场材(cai)(cai)料(liao)。目前碳(tan)(tan)/碳(tan)(tan)复合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)在热场应(ying)(ying)用(yong)(yong)领(ling)域(yu)具(ju)有较高(gao)(gao)的(de)渗(shen)透率,且不(bu)断向大直径、高(gao)(gao)强度、长寿命(ming)发(fa)展(zhan),以满足单(dan)晶(jing)(jing)硅(gui)的(de)发(fa)展(zhan)需(xu)要。
碳/碳复合材(cai)料作为光伏单(dan)晶/多晶炉热场(chang)材(cai)料
3.燃料电池汽(qi)车领域:高压(ya)储(chu)氢瓶的应(ying)用
高(gao)压(ya)储氢(qing)是目前车用(yong)储氢(qing)的(de)(de)主流方式(shi)(shi),氢(qing)气(qi)作(zuo)为(wei)新(xin)型清洁(jie)能源(yuan)已经应用(yong)于燃料电池汽车,其储氢(qing)系统是汽车的(de)(de)重要的(de)(de)组成部分。其中高(gao)压(ya)储氢(qing)是应用(yong)最广泛的(de)(de)方式(shi)(shi),该方式(shi)(shi)为(wei)利用(yong)气(qi)瓶(ping)作(zuo)为(wei)容器,通过高(gao)压(ya)压(ya)缩储存气(qi)态氢(qing),具有成本低、能耗小、充(chong)放(fang)气(qi)速度快等(deng)优(you)势,也是当前车用(yong)储氢(qing)的(de)(de)主流方式(shi)(shi)。
目前共(gong)有4种主流高压气(qi)态储(chu)氢(qing)(qing)(qing)方案,其(qi)中
I、II 型(xing)储(chu)氢(qing)(qing)(qing)瓶重量(liang)大(da)、成本低(di),多用于储(chu)氢(qing)(qing)(qing)站(zhan)等(deng)固定(ding)式(shi)应(ying)用场(chang)景;III、IV
型(xing)储(chu)氢(qing)(qing)(qing)瓶采用碳(tan)纤维(wei)全缠绕的(de)(de)(de)方式(shi)加(jia)强罐体,具备轻量(liang)化的(de)(de)(de)同时保持良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)力学性能(neng),实现了高压气(qi)态储(chu)氢(qing)(qing)(qing)由固定(ding)式(shi)应(ying)用向车载(zai)储(chu)氢(qing)(qing)(qing)应(ying)用的(de)(de)(de)转(zhuan)变。燃料电池汽(qi)车是(shi)国家重点(dian)发展方向,作为必不可少的(de)(de)(de)储(chu)氢(qing)(qing)(qing)部件,碳(tan)纤维(wei)高压储(chu)氢(qing)(qing)(qing)瓶市场(chang)远景可期(qi)。
碳纤维高压储(chu)氢(qing)瓶(ping)
4.体(ti)育(yu)、汽车、航天等领域(yu)轻量化(hua)的应(ying)用
日常体育(yu)用品比如(ru)鱼竿、高尔夫球杆、网球拍等产品的(de)碳纤维(wei)化一直是稳(wen)定的(de)市场,随着健康生(sheng)活(huo)、绿色出行等理念(nian)的(de)流行,体育(yu)休闲领域的(de)碳纤维(wei)需求有(you)望(wang)稳(wen)定增长(zhang)。
碳纤维复合(he)材料(liao)在(zai)体育(yu)休(xiu)闲领域的应用
随(sui)着复合材料技术的不断进步,如今碳纤维复合材(cai)(cai)料在汽车车身(shen)、尾翼、汽车底盘、发动(dong)机罩、汽车内(nei)饰等各(ge)个地方。例如宝马i3大(da)批量应用碳(tan)纤维复合材(cai)(cai)料,减(jian)重(zhong)约250-350公(gong)斤(jin);宝马7系轿车碳(tan)纤维复合材(cai)(cai)料仅占(zhan) 7 系轿车车体结构的 3%,但贡献了40kg的减(jian)重(zhong)。
而在(zai)航空航天领(ling)域(yu),碳(tan)纤维的(de)(de)(de)需求(qiu)仅次于风电叶(ye)片(pian),用(yong)于中央(yang)翼盒、整机(ji)(ji)(ji)身段等(deng)主承(cheng)力结构件,可占(zhan)飞机(ji)(ji)(ji)整机(ji)(ji)(ji)重(zhong)量的(de)(de)(de)30%左(zuo)右,部(bu)(bu)分机(ji)(ji)(ji)型(xing)达(da)50%以(yi)上。以(yi)战斗机(ji)(ji)(ji)为例,自20世纪70年(nian)代至(zhi)今,复合材料的(de)(de)(de)应用(yong)范(fan)围已(yi)从最初的(de)(de)(de)尾翼拓展(zhan)到机(ji)(ji)(ji)翼、前机(ji)(ji)(ji)身、中机(ji)(ji)(ji)身、整流罩(zhao)等(deng)多(duo)个部(bu)(bu)位(wei)。
各(ge)类碳(tan)纤维结(jie)构件
总结
总而言之,碳(tan)纤(xian)维(wei)增强(qiang)复合材料(liao)(liao)无论是(shi)在(zai)国(guo)家重(zhong)工产业,还是(shi)工业发展以(yi)及(ji)与我们息息相(xiang)关的(de)日常生(sheng)活里,均(jun)发挥着相(xiang)当举足轻重(zhong)的(de)作用。目前我国(guo)碳(tan)纤(xian)维(wei)增强(qiang)树脂基复合材料(liao)(liao)产业正处(chu)于从发展壮大向产业成熟期过渡,迈向产业中高(gao)端的(de)关键时(shi)期。在(zai)巨大的(de)市场(chang)需求(qiu)牵引下,碳(tan)纤(xian)维(wei)增强(qiang)树脂基复合材料(liao)(liao)产业的(de)发展将(jiang)有广阔(kuo)发展空间,但同(tong)时(shi)也面临严峻(jun)的(de)国(guo)际竞争、环境保护等方面的(de)压力,挑战(zhan)和机(ji)遇共存。
参(can)考来(lai)源(yuan):
1. 碳纤维及树(shu)脂基复合材料(liao)产业发展面(mian)临(lin)的机遇与挑战,邢丽英、冯志海、包(bao)建文、礼嵩明(复合材料(liao)学报);
2. 先进复(fu)合材料在航空装备发展(zhan)中的地(di)位与(yu)作用,邢丽英、李亚锋、陈祥宝(复(fu)合材料学(xue)报);
3. 国产高(gao)强中模碳纤维及其(qi)增强高(gao)韧性树脂基复合材料(liao)研究进展,包(bao)建文、钟翔屿、张(zhang)代(dai)军、彭公秋、李伟东、石峰(feng)晖、李晔(ye)、姚(yao)锋(feng)、常海(hai)峰(feng)(材料(liao)工程);
4. 碳纤(xian)维(wei)行业深度研究报告:高(gao)性能、高(gao)壁垒,创造黑金时(shi)代(长江证券)。
粉体圈小吉