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碳纤维对其他工业领域结构应用前景的分析

2016-12-21 行业新闻
        作为高成本高性能碳纤维复合材料的最初应用对象主要是航空航天领域,经过40年的发展,已基本形成了一套完整的技术体系,并实现了低成本复合材料技术的工程化应用。随着航空航天复合材料技术的成熟,碳纤维复合材料的应用正在向其他工业领域推广。但由于航空航天产业的特点,现有的复合材料技术也具有一定的局限性,归纳起来有以下特点:
 
  a、由于结构轻量化有极高的经济效益,因此对产品的成本有较强的承受能力,通常只用碳纤维复合材料,或与金属的混合结构;
 
  b、由于航空产品的直接制造成本较高,希望有尽可能长的使用寿命,碳纤维复合材料结构基本上无限的疲劳寿命和耐腐蚀性能正适合它的应用,使得环保和循环使用的压力较小;
 
  c、由于航空航天产品不是大众日常生活用品,即使最畅销的飞机型号,年产量不会超过几百架,故为此研发的制造工艺通常只适合于批量不大的产品;
 
  d、目前所用的飞机复合材料结构主要是板壳类产品,而航天器则多为筒壳类旋转结构,这两类结构的制造工艺相对比较成熟。
 
  当前各行各业都在探索碳纤维复合材料在结构中应用的前景,但最关键的障碍仍然是成本,不同行业对成本的期望值和承受能力不同,因此对成本的考虑必须基于本行业的特点,只有突破了适用于本行业的低成本复合材料技术的瓶颈,碳纤维复合材料才能在这些领域得到推广应用。下面就工业领域的结构化分,给出了四点不同的意见:
 
  a、类似于航空航天领域,结构减重会带来极大的经济效益,其对成本的承受能力也比较强,且批量不大,例如碳纤维无人机的机壳、工程车辆的吊臂、高空消防车的云梯等,当然像F1赛车这样的竞技车辆和其他体育用品也在此列。现有的低成本复合材料技术可以直接转化用于这些产品,因此在今后5年这些领域的复合材料应用会急剧增加;
 
  b、结构减重有重要意义,但对成本的要求很严格,有一定的批量,这类结构在工业领域比较常见,如轨道交通车辆、城市公交车辆、清洁能源车辆、特殊用途的改装车等。这类产品对全碳纤维复合材料的价格无法接受,但结构性能的安全裕度很大,可以采用碳纤维与其他价格较低的材料,如玻璃纤维、芳纶纤维混杂和层压板与夹层板联合的结构来代替金属结构。通过铺层设计将少量碳纤维用在关键的铺层和部位(即使使用少量碳纤维,也会使结构性能发生本质的变化),并结合整体结构的设计与制造,在实现结构减重与性能提高的同时,使制件成本(至少是全寿命成本)低于金属。这是碳纤维复合材料应用的重要领域,预计近期会取得比较大的突破;
 
  c、对结构减重有很高的期望,对成本有一定的承受能力,批量较大,使用寿命长。对这类结构需要改变传统的金属设计思路,充分发挥整体化结构的优势,并需研发新的自动化成形工艺,才能获得成本为用户接受的产品。这是很多工业领域产品的现状,应用前景是光明的,但关键是低成本的高效成形工艺攻关;
 
  d、结构复杂,对减重有很高的期望,但对成本也有严格的要求,批量大,使用寿命要求低,必须考虑环保与循环使用的问题,如一般民众使用的汽车。这是碳纤维复合材料目前主攻,也是最难攻克的领域。树脂(快速固化热固性树脂与热塑性树脂)和高效成形工艺是降低成本(至少是全寿命成本)必须解决的难题。随着上述关键的突破,并结合整体化结构设计,碳纤维复合材料结构就能获得用户的认可,并会有井喷式的突破。
 
  总之,在推广应用碳纤维复合材料的过程中,需要综合考虑产品的减重要求、性能要求、批量、成本承受能力、环保和循环使用的压力、现有的技术基础等因素,确定降低成本的关键和攻关的难度等,并进而确定碳纤维复合材料在该产品中应用的前景。
 
  当前国内碳纤维产业还处于萌芽状态,批产的稳定性有待于通过长期批量生产来不断改善,随着批量生产和产品稳定性的提高,生产速度和成品率也会不断增加,碳纤维的成本才会逐步降低,并参与与国外产品的竞争。
 
  
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