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      市場應用·碳纖維復合材料在新能源方面的發展應用
      時間:2021年04月01日 來源:復合材料社區  作者:佚名 瀏覽次數:

      高性能碳纖復合材料是先進復合材料的典型代表,作為結構與功能的一體化材料,碳纖維復合材料在電力產業、石油工業、天然氣、電動汽車等新能源領域中扮演著非常重要的角色。


      而相對于傳統化石能源而言的新能源,以新材料和新技術作為基礎,包括風能、海洋能、地熱能、核能、太陽能等可再生能源以及對傳統能源技術進行變革所形成的新的能源等,碳纖維復合材料在新能源產業的應用是符合時代主題的發展的必然方向,我們必須重視并為之努力。


       

      碳纖維在天然氣領域的應用



      壓縮天然氣(Compressed NaturalGas,CNG)在我國應用較為廣泛,用起來比較安全,成本低、無污染,是一咱比較理想的能源。氣瓶是CNG的儲存容器,是CNG的關鍵部件。這種氣瓶是合金鋼瓶或復合材料氣瓶均可。


      相對于鋼瓶而言,碳纖維復合材料氣瓶破損安全性好,當復合材料氣瓶超載時可能發生少量纖維斷裂,此時壓力載荷會迅速在未破壞的纖維上重新分配,不致使氣瓶在短期內推動承載能力。


      碳纖維在風電領域中的應用



      風電的價格與風機功能是有關的,在一定范圍內他們成反比例的關系,也就是說電機功率越大,單位發電的成本也就越低。風力機的關鍵部件之一就是葉片,而葉片的長度對風機的功率起重要作用。


       

      提高發電機的功率對葉片的長度、質量、材料強度有很高的要求。在發展更大功率風力發電裝置和更長轉子葉片時,采用性能更好的碳纖維復合材料勢在必行。




      目前全球已經有不少的公司已經開始應用,如:德國葉片制造商采用了碳纖維新制造的56m長,5MW風機葉片,他們認為葉片超過一定尺寸后,碳纖維葉片的制作成本要低于玻璃纖維制造。


      用碳纖維代替以往的玻璃纖維,再加上新型成型的加工技術,碳纖維復合材料在電力生產中一定會發揮起來越重要的作用。此外,碳纖維復合導線輸電導線中也存在巨大的潛在市場,碳纖維復合導線可以提高輸送電能的效率,也是能源利用的重要領域。


       

      碳纖維在電動汽車領域的應用



       

      復合材料加工能耗低、且輕質高強、成型工藝性好,已然是汽車工業以塑代鋼的理想材料。目前,汽車工業空前興盛,但也正面臨資源和環境的巨大挑戰,如何推進汽車輕量化達到降低油耗的目的,是汽車工業發展的主題。


       

      正因為碳纖維復合材料擁有的熱固性和熱塑性,因此可適用于不同的汽車部件。在國際上,碳纖維復合材料已經應用于汽車的包括車身部件、動力部件等各個部件。值得提出的是,實現在汽車上真正的大規模應用碳纖維復合材料,需要突破很多關鍵技術。


      碳纖維在石油領域的應用



      石油是一種非常寶貴的能源,也是有限且不可再生的能源,當今綜合國力競爭的重要因素。在我國,機械采油井數占總生產井數的90%以上,在其中80%是采用傳統的桿泵抽油模式。


      這種金屬抽油桿存在著大重量、易腐蝕、低疲勞性能,采油事故發生率高的缺點,而采用碳纖維復合材料連續抽油桿徹底的克制了這些缺點,具有高強、輕質、耐腐蝕、耐磨損的特點,大大提高采油效率,應用前景十分廣泛。


      不可忽視的是,深海油氣開采是當今世界石油開發的趨勢,且我國深海油較豐富,更好更快的開發深海油氣也是我國當前石油戰略發展的重要課題。


      目前,我國開采海域深度已經達到1500--3000m,深度不斷加深給原有的開采設備和技術帶來了難以攻克的技術難題。由此可見在深海油氣開發領域,碳纖維復合材料構件的研發是未來必然發展的方向。


      節能與新能源產業是當今中國迫切需要快速發展的產業,節能與新能源產業是當前我國極具發展前景的產業。新能源產業作為支撐中國經濟順利走向低碳、綠色的道路和在國際競爭中爭取科技經濟制高點的關鍵力量,應得到足夠的關注和科學的發展。


      實現碳纖維復合材料在新能源產業中的應用,首先要充分了解碳纖維復合材料的優越性能,發展低成本的碳纖維成型技術,發展電力產業、石油產業、天然氣方面以及電動汽車方面的終端產業鏈,隨著認識越來越充分,技術越來越成熟,碳纖維復合材料在新能源產業中一定會發揮越起來越重要的作用。


      航空航天中的碳纖維復合材料


       


      自從人類首次涉足空中以來,設計師就一直在不斷努力提高升重比。復合材料在減輕重量方面發揮了重要作用,如今使用的主要類型有三種:碳纖維,玻璃纖維和芳綸增強環氧樹脂復合材料。


      還有其他一些,例如硼增強(它本身是在鎢芯上形成的復合材料)。自1987年以來,復合材料在航空航天中的使用每五年增加一倍,并且定期出現新的復合材料。




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      用途復合材料用途廣泛,可用于所有飛機和航天器的結構應用和組件,從熱氣球吊船和滑翔機到客機,戰斗機和航天飛機。應用范圍從完整的飛機(如Beech Starship)到機翼組件,直升機旋翼槳葉,螺旋槳,座椅和儀表外殼。


      這些類型具有不同的機械性能,并用于飛機制造的不同領域。例如,碳纖維具有獨特的疲勞性能。鋁制機翼具有已知的金屬疲勞壽命,而碳纖維的可預測性要差得多(但每天都會顯著提高),但硼效果很好(例如在高級戰術戰斗機的機翼中)。


      芳綸纖維被廣泛用于蜂窩板形式,用以構造非常堅硬,非常輕的艙壁,燃料箱和地板。它們還用于前緣和后緣機翼組件。


      在一項實驗計劃中,波音公司成功地使用了1,500個復合零件來替換直升機中的11,000個金屬零件。在商業和休閑航空中,以復合材料為基礎的組件代替金屬作為維護周期的一部分正在迅速增長。


      總體而言,碳纖維是航空航天應用中使用最廣泛的復合纖維。


      好處我們已經介紹了一些方法,例如減輕體重,但這是完整列表:


      減輕重量-通常會節省20%-50%。


      使用自動鋪板機和旋轉模塑工藝可以很容易地組裝復雜的零件。


      單殼(“單殼”)模制結構以更低的重量提供了更高的強度。


      機械性能可以通過“疊層”設計進行定制,并具有逐漸變細的補強布厚度和布取向。


      復合材料的熱穩定性意味著它們不會隨溫度的變化而過度膨脹/收縮(例如,在35,000英尺內,在幾分鐘之內從90°F的跑道升至-67°F的跑道)。


      高抗沖擊性-凱夫拉爾(芳綸)裝甲也能屏蔽飛機-例如,減少對帶有發動機控制裝置和燃油管路的發動機掛架的意外損壞。


      高損傷容忍度提高了事故的生存能力。


      避免了“電偶”-電腐蝕問題,當兩種異種金屬接觸時(特別是在潮濕的海洋環境中)會發生電腐蝕問題。(此處使用非導電玻璃纖維。)


      消除了疲勞/腐蝕的綜合問題。


      未來展望隨著燃油成本和環境保護壓力的不斷增加,商業飛行承受著不斷提高性能的壓力,而減輕重量是其中的關鍵因素。除了日常運營成本外,還可通過減少部件數量和減少腐蝕來簡化飛機維護計劃。


      飛機制造業務的競爭性質確保了在任何可能的地方探索和利用任何降低運營成本的機會。軍事領域也存在競爭,不斷施加壓力以增加有效載荷和射程,飛行性能特征以及“生存能力”,不僅是飛機,還有導彈。復合技術不斷發展,玄武巖和碳納米管等新型材料的出現必將加速和擴展復合材料的使用。在航空航天領域,復合材料將繼續存在。


      來源:復合材料社區

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