被譽為“黑色黃金”的碳纖維,是一種力學性能十分優異的材料。它的密度只有鋼材的四分之一,強度卻達鋼的7-9倍,對一般的酸堿有良好的耐腐蝕 作用,熱膨脹系數低、耐摩擦、抗震、導電、X射線的透過率高,已經廣泛應用在航天軍工、汽車高鐵、醫療器材、體育用品、機械制造等各個領域。近年來,隨著 國家政策的扶持及企業的自主創新精神,我國碳纖維產業也迅速崛起一批具有尖端研發實力的民營科技企業。
據報道,2016年5月19日,北京夢狐宇通在科博會上展出航空級高性能碳纖維,宣稱性能超過美日M60現有技術指標,引起國內一片震驚。5月 26日消息,中復神鷹千噸級T800原絲生產線投產,性能指標超過國外同類產品水平,所有的核心設備和技術都是自主研發。6月10日,無錫威盛新材在國內 率先研發出應用于軌道車輛的阻燃增韌碳纖維材料,性能已達英國及歐盟的相關標準,躋身于在碳纖維下游制造企業中先進行列,在國內率先開啟高速列車輕量化發 展潮流。最近,北京特米納特公司近期發布聲明已在瀝青碳纖維取得重大進展,性能達到高端層級,屬于世界領先水平。
細數碳纖維的前世今生
碳纖維的發明可以追溯到1880年,著名科學家愛迪生將棉、麻、竹等天然植物碳化得到,用于白熾燈絲。1910年鎢絲出現使碳纖維的研究暫時擱 淺,直到20世紀50年代美蘇冷戰,為解決武器隔熱的問題,人們又重新對它重視起來。1959年美國聯合碳化公司研制出了粘膠基碳纖維,同年,日本的近藤 昭男以聚丙烯腈為原料,制成了聚丙烯腈(PAN)基碳纖維,1974年,聯合碳化公司又研制成功了瀝青基碳纖維,從此碳纖維形成了PAN基、瀝青基和粘膠 基三大原料體系,目前主要以PAN基碳纖維使用最為廣泛。
我國對碳纖維的研制從上世紀60年代開始,80年代開始研究高強型碳纖維,取得了一定的成績,但發展緩慢。阻礙我國碳纖維行業發展的原因主要有 兩個,一是原絲質量差,二是沒有耐超高溫的碳化爐。國產原絲在純度、均質化、強度、產量方面都遠低于國外原絲,質量較差、成本較高,而且碳化爐只能允許在 1400℃的溫度中使用,無法達到1500℃的最佳狀態,國外1800℃以上的高性能碳化爐更是對我國嚴格限制出口。
為了打破國外的壟斷,滿足市場需求,國家加大了對碳纖維行業的投入,也出臺了相關政策。2013年4月,工信部發布的《關于促進碳纖維產業健康 發展的指導意見》及《新材料產業“十二五”發展規劃》中提到的將重點發展高性能復合材料,并將加快發展碳纖維等高性能增強纖維。在國家的大力支持下,我國 碳纖維行業在技術、裝備、產業化生產等方面都取得了重大的進展。2007年,殲11B和殲11BS戰斗機等軍工設備開始廣泛使用國安碳纖維材料,2011 年,我國T700碳纖維材料生產技術得到了成熟發展。預計到2020年,我國年碳纖維總產量將達到7萬噸,適用范圍包括軍事和民用的各個領域。
輕量化發展驅動下的碳纖維產業
體育器材一直是碳纖維消耗的一大領域,但是近兩年,隨著交通工具輕量化潮流風氣越刮越猛。2013年寶馬i3碳纖維車架工廠在美國摩西湖落成, 國內一些企業便緊鑼密鼓開展碳纖維汽車產業布局,康得復材聯手北汽等汽車制造公司,致力于讓碳纖維材料應用到汽車車身領域。無錫威盛新材在2016年伊始 也投入數百萬元建立研發中心,研發軌道車輛專用碳纖維材料,并給國內多家軌道交通企業提供列車輕量化部件的研發與制造服務,目前產品已應用到高鐵車廂結構 件、覆蓋件、安全門等部件中。中車一位研發工程師表示,鋼鐵是傳統的列車構件制造材料,它的強度高,安全性好,但重量、能源消耗具大,列車輕量化研制一直 是我們考慮的重點,碳纖維復合材料具有抗振性好、安全性好、使用壽命長等優點,不但可以降低重量,而且可以提高列車高速運行的性能、減少能源消耗、降低環 境污染。
21世紀是碳纖維的時代,跟隨時代的腳步,越來越多的碳纖維產品進入人們的生活,一切態勢都在表明,輕量化、新材料的理念深入人心和市場的發 展,加上國家政策扶持的引導,2016年碳纖維材料或迎來真正的發展元年,一大批應用案例將會在市場涌現。威盛新材研發部張博士表示,隨著市場對碳纖維材 料的需求量大幅度提升,市場對其要求也越來越高,為滿足需求,我們民營企業更需要有創新精神,避免掉入產能過剩的怪圈,接下來我們將布局航天軍工電磁屏蔽 碳纖維復合材料以及耐高溫碳纖維復合材料的研制。
目前我國經過多年的技術攻關,已初步解決了碳纖維生產加工難,完全依賴進口的局面,但也存在突出的問題,如提高碳纖維復合材料機械鏈接部位的安 全可靠性,控制碳纖維復合材料制件生產質量的穩定性,以及加強碳纖維復合材料的結構設計和工藝研究,制定新的設計標準等。有專家預計,到2020年,我國 將建成千噸級T1000碳纖維生產線和百噸級MJ系列碳纖維生產線,趕上日美等碳纖維技術強國。
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