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碳纤维为什么神奇?碳纤维有哪些用处?

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匿名 提出于2022-10-17
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  在陶瓷、稀土、合金、有机硅等新型材料中,有一种材料具有十分独特的优越性,它就是被誉为“新材料之王”的碳纤维。小到球拍、钓鱼竿等民用产品,大到飞机、卫星和导弹等高精尖设备,都是碳纤维大展身手的领域。正是因为有着耐高温、耐腐蚀、重量轻等诸多特殊性能,碳纤维一直以来都是国外进行技术封锁和产品垄断的战略物资。再加上碳纤维的制造难度高、工艺复杂等原因,导致我国碳纤维的研究和发展在过去很长一个时期处于落后状态。

  20世纪80年代,我国组织全国力量开展碳纤维研制攻关,近年来已相继实现了多个系列和级别的碳纤维国产化,而且解决了宇航级碳纤维的自主保障问题,使我国成为继日本、美国之后第三个掌握宇航级碳纤维技术的国家。

  随着航空航天、风力发电、氢能源和新能源汽车等产业的发展,碳纤维行业正步入发展的快车道。在碳纤维的研究领域,我们实现了哪些重大突破?未来在碳纤维产业化的道路上,我们还有哪些问题亟待解决?

  碳纤维为什么神奇

  一桶标准的碳纤维,重约1公斤,长15000米。它的颜色黑黑的,其貌不扬,但是它确实很神奇。它是由我们人造的有机纤维经过高温转化得到的含碳量达到90%以上的一种无机纤维,也叫“黑黄金”。为什么说是神奇的碳纤维呢?主要体现在五个方面。

  第一是细如发丝。碳纤维直径大概在5—8微米。

  第二是轻如鸿毛。碳纤维的密度是钢的五分之一,是钛的五分之二,是铝的五分之三。用碳纤维做成的自行车,重量仅仅5公斤,一位女士就可以很轻易地把它单手提起来。

  第三是强如钢铁。碳纤维很强,首先它的强度高,一束标准12K碳纤维,可以承受130公斤左右的重量。其次碳纤维非常耐高温,碳纤维在3000摄氏度下依然安然无恙。

  第四是制备非常难。它的制备难度与航空发动机制造、芯片制造、微纳制造是可以比拟的,它也是集人类工业文明之大成的一个杰作。碳纤维制备流程非常长,它包括上百个细分的工序,目前统计有两千多个要控制的参数,是一个确确实实需要千锤百炼的过程。有专家统计,如果纯粹靠实验来研制碳纤维,所需要做的实验次数是10的6次方到10的7次方。如果每天做10次实验,碳纤维的研制需要上千年甚至更长的时间,所以是一个非常艰难的研发、制备过程。

  第五是贵如黄金。因为碳纤维的制备非常难,流程非常长,所以它非常贵。目前宇航级的碳纤维,它的价格每公斤在千元到万元这个范围,是钢和铝合金的几十倍。

  碳纤维还有其他很多优点,比方说它的耐腐蚀性能好,能耐各种酸、碱、油,还包括海洋环境,它的耐腐蚀性能优于黄金和白金。同时碳纤维还有一个非常奇特的特点,就是它的膨胀系数接近0.在负100摄氏度到正100摄氏度之间,它的尺寸基本保持不变。另外把碳纤维做成复合材料以后,它的抗疲劳性能非常好。

  碳纤维有什么用

  碳纤维材料从无到有,经历了100多年的历史。它的出现推动了相关领域的技术进步,同时也形成了一个巨大的消费市场。据相关数据统计,目前全球碳纤维产能已经突破了10万吨量级。如此数量的碳纤维究竟被应用在哪些领域?它又如何改变着我们的生活?

  碳纤维有什么用?主要包括以下三个方面。

  第一,碳纤维是航空航天竞争力的一个重要标志。中国已经成为世界上第三个自主拥有卫星导航系统的国家,在这方面碳纤维是功不可没的。北斗卫星,看起来就像一座房子带着两只翅膀,它的房子和翅膀都是用碳纤维复合材料做的。为什么要用碳纤维?首先,卫星要装足够多的仪器设备,要求它的结构重量比要小于5%,所以必须用碳纤维;其次,卫星的天线、相机等设备要求很高的精度,要解决热变形的问题,碳纤维正好有这方面的优势,所以现在包括北斗卫星在内的高性能卫星都是碳纤维复合材料化的卫星。

  第二,碳纤维是提升竞技体育成绩的一个制胜法宝。碳纤维在体育器材上应用广泛。碳纤维的网球拍现在已经成为冠军选手必备的装备。用碳纤维制作的网球拍,最高球速可以达到每小时将近250公里,但是高性能的铝合金网球拍只能达到每小时200公里左右,速度提高了20%以上。刚刚退役的网球运动员费德勒,就是用Pro staff这种碳纤维网球拍获得了20届大满贯的冠军。

  第三,碳纤维将是第四次工业革命一个重要物质支撑。即将到来的星际航行、清洁能源和人工智能时代,碳纤维也将大有作为。人类要进入宇宙空间,要探索月球,要进行载人登月,要探测火星,也有可能要进行载人火星探测,要探索其他行星和小行星。无论进入宇宙空间到驻留宇宙空间,再到探索宇宙空间,包括今后建立宇宙空间的科考站,碳纤维都是不可或缺的。

  今后会有大量的智能机器人,以机器人为代表的智能装备,必须解决结构重量的问题,要轻量化,以保证它们的行走里程、续航时间等指标的完成。另外,这些智能装备、机器人必须具备动态响应特性,碳纤维的复合材料在这方面有其他材料不可比拟的优势。在第四次工业革命前夕,在即将进入智能化、智慧化社会这个过程中,碳纤维和碳纤维复合材料将发挥越来越重要的作用。

来源:《李仲平院士:如何认识神奇的碳纤维》

发布于 2022-10-17 16:46
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