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超跑、赛车界最爱用的材料,碳纤维贵的有道理吗?

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超跑、赛车界最爱用的材料,碳纤维贵的有道理吗?

发布日期:2021-10-22 作者:网络 点击:

大家如果关注过跑车的新闻,应该会对碳纤维这个词比较眼熟,因为超级跑车、赛车运动都很喜欢用碳纤维作为车身车体的材料,它几乎是超跑的宠儿,只要和它相关的,必定是很高端的车型。在其他领域中,也有碳纤维的使用,那你知道碳纤维到底是什么材料吗,它为什么这么受欢迎呢?

在碳纤维使用时,通常是将碳纤维作为树脂、陶瓷或金属为基体制成的复合材料的增强材料。由于碳纤维复合材料具有极高的机械特性(比拉伸强度、比模量)和其他特性(低密度、低热膨胀系数、耐热性、化学稳定性等),因此碳纤维广泛应用于各种应用。这些特点使碳纤维变得如此独特和与众不同,这也是几乎所有制造业都喜欢使用碳纤维的原因。

01

 是什么让碳纤维复合材料如此独特?



碳纤维复合材料在航空航天、工业制造、汽车生产、高端医疗等领域,主要是由于碳纤维复合材料性能优越,能够取代传统金属材料等其他材料,碳纤维复合材料主要有哪些性能优势?

1、密度低强度高

碳纤维复合材料密度很低,只有1.7g/cm³左右,只有铝合金的1/2,钢材的1/5。碳纤维复合材料不仅在轻量化方面更具优势,其高强度和高模量也让碳纤维复合材料能够取代更多的传统金属材料。据博实无人机客户反馈得知,使用碳纤维复合材料制作无人机机壳、机架等部件,可以采用一体化成型工艺,可以减少60%的重量,能够减少燃料的使用量,并且整机的使用寿命也能得到大幅度提升。

2、耐热性

碳纤维是经过高温碳化制备而成,理论上耐受温度能够达到2500℃,目前市面上常见的碳纤维复合材料是采用环氧树脂基,最多可耐受300℃的温度。以陶瓷、金属、碳作为基质的碳纤维复合材料,可以耐受2000℃以上的温度,但是其使用环境要求十分苛刻,生产工艺要求也非常高,所以多出现在航空航天领域。

3、热膨胀系数小

碳纤维复合材料热膨胀系数较小,可以在温度瞬间上升几千摄氏度的条件下不会发生炸裂。将碳纤维复合材料与其他材料同时放置于相同温度环境下,碳纤维复合材料不会膨胀变形,所以在精密度要求高的结构件上都采用碳纤维复合材料,比如空间望远镜的筒身、机器人手臂等。

4、使用寿命长

碳纤维复合材料的抗腐蚀性能也是比较优秀,一般酸碱盐的腐蚀都奈何不了它,除了重铬酸盐、浓硝酸和次氯酸外等强氧化剂。碳纤维复合材料有着优秀的耐水性和抗湿热老化特征,即使在潮湿环境中也不会发生水解反应,比较适合一些长期需要暴露在自然环境中的结构件使用,能够延长其使用寿命。

除上述的性能优势外,碳纤维复合材料的透光性也十分优秀,其X射线的透过率高达98%,利用这一特性,可以用于医疗放射医疗床板的制作,不仅可以减少X射线对人体的伤害,还可以让造影更加清晰。

02 

碳纤维复合材料可产生什么价值?


下一代碳纤维复合材料,如预浸料复合材料,可将乘用车重量减少50%,并在不影响性能或安全的情况下将燃油效率提高约35%;以今天的汽油价格计算,这一进步可以在汽车的整个使用寿命期间节省超过 5,000 美元的燃油。除了用于制造汽车和卡车外,碳纤维的进步将有助于制造商降低成本,改善风力涡轮机叶片和塔架、电子设备、储能部件和输电线路的性能。

此外,在 3D 打印技术中,碳纤维复合材料的存在正在增加价值。这是一种用于多种应用的复杂技术,不需要大型设备设置。该技术可用于在短时间内打印多个对象。

与其他金属材料相比,连续碳纤维用于 3D 打印具有更高的强度和刚度。碳纤维的含量和取向是可控的,这简化了优化过程。使用碳纤维的3D打印还可以在航空航天、汽车和牙科等各种终端行业的零件制造中实现高精度。这项技术将彻底改变碳纤维的制造工艺,并将为市场参与者提供重大机遇。

03

 为什么碳纤维复合材料价格这么贵?


用于加工碳纤维的原料是一种类似用于毛衣和地毯的纤维,价格不贵,每磅3美元。但将其从前驱体加工成碳丝需要将其加热数小时。此外,还有50%的浪费。在温度超过1000摄氏度的情况下,经过三次加热循环后,电费是相当昂贵的。在制备复合材料时需要加入树脂来固定其最终形状。搞砸了,需要从头开始。

总而言之,碳纤维起价可能为每磅3美元,但当它到达自行车车架制造商时,预浸复合材料织物的价格将接近每平方米20美元。再加上1000小时以上的开发劳动时间、一些错误、大量浪费,4000美元碳纤维自行车车架听起来就不再那么贵了。此外,制造和组装机器并不是唯一需要考虑的技术成本因素。

新的复合材料制造软件即将上市。例如:设计仿真软件以缩短设计周期;用于分析效率损失来源的成本建模软件;基于知识的工程产品,以降低劳动力成本。因此,软件供应商也在推出产品,以帮助提前识别制造风险。这将在错误发生之前减少代价高昂的错误,进一步减少循环时间和碳纤维制造成本。

上述所有因素将碳纤维复合材料/预浸料复合材料的成本推到如此之高地步。就应用而言,碳纤维市场在价值和数量上均以复合材料市场为主导。这种增长是由于碳纤维复合材料在航空航天、国防、汽车和风能等行业的广泛应用。碳纤维制造和碳纤维加工的可扩展性和范围遍布全球各地,尤其是欧洲拥有碳纤维市场的较大市场份额,因为它有大量海上风能装置,随后是在英国和德国。

尽管制造商们正专注于生产低成本碳纤维,但大规模生产和商业化仍需要时间。为了有效降低纤维成本,必须通过大规模生产降低碳纤维的成本。由于碳纤维成本高,其应用仍然受到限制,因此其特性的独特性和最终产品的高昂价格是合理的。

文章来源: 江苏博实碳纤维,碳纤维及其复合材料技术

本文网址:http://www.qhdzc.net/news/431.html

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