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21世纪的“新材料之王”——碳纤维

碳纤维被誉为21世纪的“新材料之王”,最初用于航空航天等高端行业,近年来,随着技术的成熟和成本的下降,碳纤维逐渐卸下“高冷”面具,越来越多地应用在民用及消费类产品等各个领域。



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根据广州赛奥发布的2020年碳纤维市场报告显示,2020年,国内碳纤维需求4.88万吨,同比增长29%,国产纤维占比38%,同比增长53.8%。由于国内大力发展风电产业,碳纤维市场供不应求,增长迅速,国产占比也在逐年增加。下面我们就从碳纤维的种类、性能以及应用,来了解这种高性能纤维。长按二维码加群探讨:


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一、碳纤维的种类和性能


碳纤维(Carbon Fiber,简称 CF)是有机纤维(粘胶基、沥青基、聚丙烯腈基纤维等)在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构的无机纤维,是一种含碳量高于 90%的无机纤维。不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。

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图  碳纤维长纤维,东丽


1. 碳纤维的分类 

碳纤维可以按照原丝种类、力学性能、丝束规格等进行分类。

  • 按原丝类型可分为:聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和酚醛基碳纤维4大类。


其中,PAN基碳纤维由于生产工艺相对简单,产品力学性能优异,用途广泛,占碳纤维总量的90%以上;沥青基、粘胶基、酚醛基的产量规模较小。碳纤维的性能在很大程度上决定于原丝的质量。

  • 按形态可分为:长丝、短纤维和短切纤维。
  • 按力学性能可分为:通用型和高性能型。


通用型碳纤维强度为1000MPa,模量为100GPa左右,高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000MPa)和高模型(300GPa)

  • 按照每束碳纤维中单丝根数,碳纤维可以分为:小丝束和大丝束两大类别。


一般按照碳纤维中单丝根数与 1000 的比值命名,如12K、24K。


 2. 碳纤维的主要性能特点


1)比重轻,密度是钢的 1/4,是铝合金的 1/2 ;


2)强度高,抗拉强度在 3500 MPa 以上,比强度为钢的10 倍;

3)模量高,弹性模量在 230 GPa 以上;

4)耐超高温,在非氧化气氛条件下,可在 2000℃时使用;

5)耐低温,在-180℃低温下,碳纤维依旧具有弹性;

6)耐酸、耐油、耐腐蚀、耐久性强;

7)热膨胀系数小,导热系数大,耐急冷急热,即使从 3000℃的高温突然降到室温也不会炸裂;

8)耐磨性好;

9)导电性能良好。


 3. 碳纤维的应用形式


目前已经成熟的碳纤维应用形式有四种:

1)碳纤维:主要以“缠绕成形法”应用为主;

2)碳纤维织物:主要以“树脂转注成形法”应用为主;

3)碳纤维预浸料:将连续碳纤维或碳纤维织物经树脂浸渍、加热和塑化,成为预浸料;

4)短切碳纤维:短纤维与塑料、金、橡胶等材料进行复合,以增强材料的强度和耐磨性。


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图 碳纤维热塑性复合材料   澳盛


二、碳纤维的应用领域


碳纤维具有其他材料所不可替代的优良性能,在航空航天、风电叶片、体育休闲、汽车、压力容器、碳碳复材、建筑等领域广泛应用。其中风电叶片、航空航天和休闲体育是碳纤维的前三大应用领域,占据整个市场的近60%,而汽车需求近年来也有所增长。

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 1. 风机叶片

在碳中和的目标下,风力发电作为清洁能源的重要力量之一,得到了大力发展。在我国,风电叶片是碳纤维最重要的增长市场,特别是制造超大型风电机组所需叶片,必须使用质量轻、强度高、刚性好的碳纤维,保证结构强度的同时避免叶片在风载作用下发生大变形甚至撞击风车支柱,碳纤维的导电性还能避免雷击等。

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图  碳纤维用于风电叶片,澳盛

 2. 航天航空

碳纤维材料广泛应用在卫星、飞机、火箭、导弹和高速飞行器等航空航天领域。由于碳纤维质量小,动力消耗少,可节约大量燃料。民用客机是拉动碳纤维需求增长的主要力量,如机身、机翼等部件。

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图 碳纤维用于飞机机身壁板,恒神股份

 3. 体育休闲

体育休闲领域是碳纤维最早的商业化应用,也是主要的应用市场。如在高尔夫球杆、自行车架、钓鱼竿、球拍、 曲棍球棍、滑雪板、帆板桅杆、帐篷杆及棒球球棒等等高端休闲体育市场。

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图  碳纤维用于钓鱼竿,东丽

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图  碳纤维用于球拍,东丽

图片图  碳纤维用于自行车,东丽

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图  碳纤维用于运动鞋鞋底,朗盛

 4. 汽车领域

碳纤维复合材料被广泛应用于汽车的车身、传动轴、刹车片、尾翼、发动机、新能源汽车动力电池箱体和引擎盖等,使汽车部件更加轻量化,承压力更好。特别是新能源汽车对轻量化要求更高,以提高续航能力,碳纤维有利于实现汽车轻量化设计。


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图  碳纤维用于汽车仪表板,沃特

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图 碳纤维在新能源汽车储氢瓶,恒神股份

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图  碳纤维预浸料用于动力电池箱体

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图  碳纤维用于汽车保险杠,东丽

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图 碳纤维用于汽车侧围

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图  碳纤维用于汽车扰流板

 5. 其他应用


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图 碳纤维用于行李箱、背包,台湾塑胶

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图  碳纤维用于笔电,澳盛

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图  碳纤维用于手机,朗盛

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图 碳纤维复合材料电线芯

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图  碳纤维用于无人机,中复神鹰


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图 碳纤维用于摩托车,东丽

艾邦搭建了碳纤维产业交流群,长按识别二维码添加群主:


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9月15日,艾邦将举办第五届特种工程塑料论坛,届时,沃德夫聚合物总经理马涛先生将为我们带来《再生碳纤维的开发与应用》的主题演讲,欢迎各位莅临现场交流。


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