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【环氧板】碳纤维的应用与发展


由于碳纤维的性能优异其应用也非常广泛。但碳纤维一般不直接应用,大都是加工成中间产物或者环氧板材料使用。高性能碳纤维的主要应用领域为航空航天、汽车体育和医疗等,通用级碳纤维主要用于土木建筑等领域。

由于碳纤维
环氧板材料比强度高,因而航空航天成为高性能碳纤维的首要应用领域。其制备的环氧板材料主要分为作为低温结构件的树脂基环氧板材料和作为高温防护材料的c/C环氧板材料。前者主要用作飞机机翼、尾翼及直升机桨叶等。目前,环氧板材料占整机的比重已成为衡量战斗机先进程度的重要指标。而对于高超声速飞行器,较快的飞行速度会引起强烈的气动热,使其头锥表面温度超过2000C。在这样苛刻的服役环境中,C/C环氧板材料成为热防护材料的不二选择。

碳纤维在航空航天领域获得应用后,逐步推广到其他应用领域。目前,世界碳纤维总量的1/3用来制造体育娱乐器材,如高档羽毛球拍、网球拍、钓鱼竿、高尔夫球棒、赛车等。在汽车领域,碳纤维
环氧板材料可使汽车轻量化,显著提高汽车整体性能并节约燃料。在医疗领域,碳纤维具有良好的生物相容性,可作为生物体植人人体。研究还表明,碳纤维具有诱发组织再生功能,能促进新生组织再生并在碳纤维周围形成。在建筑领域,碳纤维环氧板材料因具有高比强、高比模、耐腐蚀、阻燃等性能而被制成新型建材,减轻了建筑的结构质量。

碳纤维较广的应用领域使其存在巨大的商业利益,进一步推进着碳纤维的发展。目前的主要发展方向有以下两个:

(1)发展高性能、廉价的碳纤维。这也是每个碳纤维制造公司的主要研究目标。由于先进
环氧板材料对碳纤维有更高的性能要求,T300级碳纤维会逐步被更高性能的碳纤维取代。为降低生产成本,生产大丝束碳纤维是一种可行的方案。从东丽公司的产品列表中也可以看出,24K的较大丝束碳纤维已经商业化。大丝束碳纤维的性能和小丝束碳纤维性能相当,而价格却可以降低30%~40%。因此,大丝束碳纤维是未来发展的一个方向。

(2)研究和发展特殊用途的碳纤维。不同的应用领域,对
环氧板材料有不同的要求。未来将针对不同领域发展出特殊用途的碳纤维。例如,在电子领域,需要高热导率的材料,这就需要研究出高热导率的碳纤维。而在热防护领域,需要碳纤维的热膨胀系数和基体的接近,这便需 要不同热膨胀系数的碳纤维。当然,这种特殊用途的碳纤维在一般用途较广或者非常重要的条件下才会有进一步发展。

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