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[材料应用] 先进复合材料的民用发展 |
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www.cfrp.com.cn
先进复合材料自上世纪60年代中期诞生以来，其应用历来分为三大领域：以航空航天为主的国防军工系统应用，目前约占20%左右；体育休闲用品，目前约占20%左右；工业领域应用，目前约占60%左右。此处所言的先进复合材料，主要系指碳纤维增强树脂基复合材料。我多年来是从碳纤维的产耗量入手研究先进复合材料在民用领域的应用发展情况。据统计，目前世界碳纤维总产能约在66000吨/年左右，产量约为46000吨/年左右。  复合材料的民用领域 一、体育休闲用品应用 这是一个开发较早，现仍有稳定需求的应用领域，但已有渐趋饱和的态势。 1.高尔夫球拍：4000万只/年，约占总数的80%以上，“已碳化了”。 2.其他各种球拍（网球拍、曲棍球拍、羽毛球拍等）：1000多万只/年，几乎独占市场。其中网球拍占 80%以上。 3.钓鱼杆：1200万只/年，约占总数的50%以上。 4.自行车：20万辆/年以上。 5.其他：赛艇、赛车、弓箭、滑雪板、杆（400万套/年）、滑板等。 前四项约占CF耗量的85%左右，其他只占15%左右。我国的台湾有“复合材料体育用品王国”之称，但近年来已向大陆转移。台湾碳纤维2007年可有3000吨/年的产能。 二、工业领域应用 这是一个覆盖甚广，内容甚多，也是一个发展最快，前景最好的应用领域。 1.基础设施领域 基础设施（Infrastructure）系指建筑领域的房屋、梁、隧道、涵洞、地铁及其相关的混凝土工程，其修复、更新、加固已构成复合材料目前极重要的应用领域。结构应用：承拉索、护栏、扶手、梁、柱、杆、桩、桁架、构架、格栅、筋条（代钢筋）、修复、加固、更新：层压板、包缠料（片材）。 2. 汽车领域 复合材料用于汽车领域多数代替钢材，可减重40%以上→节省燃油→降低使用成本。但复合材料成本较高→进展一直不如人意→碳纤维须降至＄11/kg以下才会有大的变化。近年来随大丝束纤维、RTM工艺等低成本技术的发展，情况大有变化，应用日益增多。汽车：车体结构，传动轴、板簧、赛车、环保型的电动汽车（车体、储能飞轮必用）。压缩天然气瓶：环保→天然气汽车（NGV）→CNG→复合材料气瓶：铝内胆+缠绕成形。 当前世界性的能源短缺，燃油涨价，车体减重需求增加，车体重量每减重10%，燃油消耗下降7%。最近美国能源部（DOE）联合美国汽车研究会（USCAR）共同发起了一个五年计划项目，共投资$1.95亿，旨在发展轻质高强材料提高燃油效率，复合材料首当其冲。近年来国际上先进复合材料的汽车制件日渐增多，已有多台全复合材料汽车展出亮相。如K200Rood全复合材料汽车，车体重仅300KG，号称世界上最轻的双座轿车。还有全复合材料巴士。国内汽车上复合材料应用亦日多，但多为玻璃钢制件，先进复合材料应用开发几乎还是空白，极待开发。汽车应用量大面广，必将形成复合材料的潜在应用大户。将新能源汽车和复合材料轻结构汽车结合起来是最好的发展方向！ 碳纤维复合材料汽车：日本东丽公司在名古屋耗资2430万美元建汽车复合材料中心，目标是开发低成本碳纤维复合材料车身面板和混合动力汽车。帝人公司计划2010 年提供碳纤维/环氧树脂复合材料制造汽车零件，计划由下属公司TOHO执行。预计碳纤维在汽车领域的销售额从2008年的3%增加到2010年的7%。开发快速成形技术，成形过程仅需10分钟。美国PNGV里程目标30km/升汽油，为此寻求更轻的结构材料。美国能源部橡树岭国家实验室拟将碳纤维从现在8-10美元/磅降到3-5美元/磅，以满足轻型汽车对更轻的结构材料的要求。 3、沿海油气田领域 先进复合材料具有重量轻和高耐腐蚀的独特优点，适用于沿海油气田的开发和生产，在该领域有极为广泛的应用前景。应用可分为岸基（on-shore）和沿海（off-shore）、井上结构和井下系统。应用方向包括：管道系统、油箱、油罐、围栏、扶手、通道，特别是采油的竖井（Riser）和将平台锚固到海底的安全索和功能缆线（umbilical）与绳索（tether）等。以上设施均可长达几千米，重达几千吨。 国际上对该领域的应用已有大力开发，并召开过多次国际会议，第4次国际年会（CMOD-4）不久前在美国Houston大学召开，主持人为Su Su Wang。该领域技术问题比较复杂，如深水低温、压力、涡流振动等。但因用量大，据说若竖井、绳索等都实现复合材料化，目前世界上全部的碳纤维尚不足一家之用！国内该领域的应用几乎还是空白，极待开发。 4 .风力发电领域 风力是清洁环保的可再生能源→风力发电是世界能源增长最快的领域：每年以25%以上的速率递增。趋势：单机容量越来越大→叶片越来越长、自重越来越大→刚度、强度要求越来越高→由玻纤转向碳纤。目前可达4～5MW，塔高70m，叶片可长达50m~60m。叶片长度每增加6%，发电量可增加12%。欧洲德国领先（8750MW），其次是美国，亚洲是印度、日本等，我国尚有很大的发展空间。应用：叶片、机舱罩、导流罩、塔架等。  5、舰船领域 先进复合材料是性能优异的可大幅度减重的结构材料，又兼有高耐腐蚀的特点，因此在舰船结构上有广泛的应用前景。应用领域包括：赛艇、游艇、帆船、舰艇以至潜水艇等应用的部位包括：船体、甲板、舱室结构、风帆桅杆、船舵等制造上会大量采用RTM技术，特别是SCRIMP，即西曼复合材料树脂熔塑成形法，大规模整体成形，并多用夹层结构，芯材可用NOMEX蜂窝或闭孔泡沫材料。美国甚至要用复合材料造潜艇届时艇体壁厚可达70mm。美国诺斯罗普·格鲁门公司2005年采购了453.6吨碳纤维，用于两艘舰船制造，规模可见一斑。每艘驱逐舰可用225吨碳纤维。 6、防弹产品领域 现代的防弹产品多由复合材料制成，可用到芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等。防弹板：飞机、武装直升机、坦克防弹头盔：金属→非金属（陶瓷）→复合材料→混杂复合材料。防弹服：武警、特种部队需求增加。防弹车：防弹运钞车、轿车，或整车或局部。目前国产的防弹头盔和防弹服等已大量出口。 7、其他工业领域 复合材料几乎是个无所不为的材料，在其他工业领域亦有广泛应用。应用需要创造性的开发。电子领域：抛物面天线、印刷电路板、电器设备壳架。生物工程和医学：人工关节、假肢、人工脏器等，CT床板等成像设备、医疗设备等。发热体：电暖气、发热墙体、发热床体修理产业（修理金属飞机结构、工业设备等）其他：高速列车、机械设备、工业罗拉（轴辊）、残疾人用车及用品、齿轮、轴承、飞轮、集装箱、乐器、机器人结构、燃料电池、电缆等。其中输电缆线会有巨大发展。 关于复合材料民用产品开发的几点建议 1、中国3大领域应用概况；航空航天5%、工业领域35%、体育休闲用品60%，与国外相比，存在“病态”。此情此景极应改变！ 2、开发应以工业领域为主，如汽车领域、风机叶片、沿海油气田应用等。应用要靠创造性的自主开发，注意形成自主知识产权。 3、任何产品开发都必须和相关的产业部门、应用部门密切合作，共创共赢，才能有可为有可成。 4、任何产品的成功开发和应用都必须注意发挥复合材料的优点和特点，用其所长、扬长避短，应用才会有生命力，市场才会有推广力。 5、任何产品一旦形成结构，必有设计、计算分析和制造等问题，对此必须给以充分注意。 6、国内严重缺乏复合材料设计人才，民用部门情况尤甚，这严重影响了我国复合材料产事业的发展，必须充分注意人才的培养、培训、锻炼提高。以人为本，事在人为。 | |
发表于 2015-11-11 01:27:37
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