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碳纤维有什么用途?中国用新工艺生产高强度材料

随着科学技术的发展,有一些新出现的科技产品都与新材料有很大的联系,就是因为新材料一般都会拥有更加优异的性能,从而使新的科技产品在性能上也会得到一定程度的改变。

碳纤维有什么用途?中国用新工艺生产高强度材料

现在我要说的是一种复合材料,它就是碳纤维,而且在某些性能上,中国可以通过新的工艺生产出更高强度的材料,但美国只不过是停留在传统的碳纤维生产工艺上,至今也无法生产出这种性能的碳纤维,到底又是怎么一回事呢?

碳纤维作为一种复合材料,它的含碳量超过了95%,并且是由人工合成的材料。我们都知道碳元素的化学性质是比较稳定的,因此自身也带有了耐腐蚀的特点,但这个化学上的稳定性并不包括燃烧,例如碳经过一定的排列组合之后,形成了一种特定的结构,就像金刚石那样,可以成为自然界中天然形成最硬的物质,但金刚石还是可以燃烧的。

碳纤维有什么用途?中国用新工艺生产高强度材料

其实碳经过了一定的排列组合之后,形成的碳纤维与我们平时所认识的碳拥有很大的差别。因为我们平时最常见的碳就是木炭了,常常都被我们用作烧烤的材料,将它拿在手里是比较脆的,很容易就能折断,但碳纤维的强度可以很高,通常可以达到钢铁的7~9倍。

另外,碳纤维也拥有了耐高温的特点。当然要是达到了一定的条件之后,碳纤维同样还是可以继续燃烧的,不过它的温度一般都是要达到1000℃以上。由于它的强度比较高,所以通常也将碳纤维做成管状的样子,而且管壁也非常薄,材料也会变得非常轻。

正是基于碳纤维的这些特点,碳纤维也在很多的领域中得到广泛的使用,例如从我们日常生活中所使用的鱼竿、羽毛球拍以及自行车等等,由于它的重量比较轻,而且强度也比较高,所以这些物品使用起来非常方便,更省力气,也比较耐磨,不会因为使用的时间比较长了就会出现磨损严重的现象。

碳纤维有什么用途?中国用新工艺生产高强度材料

例如,一些录音设备中间应用到这种材料。当然在这里所说的录音设备并不是自媒体常用的录音设备,而是指拍电影或者拍电视剧所用的录音设备,由于碳纤维的强度比较高,重量比较轻的特点,用来制作一些录音用的长竿,也像鱼竿那样可以自由伸缩,更重要的是它可以节省工作人员的很多体力,使用起来就更加方便。

在一些飞机的材料上,以前所使用的一般都是一些铝合金的材料,但现在也在慢慢地使用碳纤维了,就是因为碳纤维通过不同的工艺生产也可以获得各种的性能;同时在火箭或者卫星等这些高科技领域中,也会大量地使用碳纤维材料,可以说在以后很多的高科技产品中,经常都会应用到碳纤维材料。

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也正是因为碳纤维的应用范围非常广泛,而且价值也比较高,但它的生产技术却不容易,这也造成了它的价格比较高,所以人们也给他起了一个外号叫作“黑色黄金”。

那么,碳纤维是如何生产出来的呢?

碳纤维是以纤维丝作为原材料,经过高温碳化以及化学氧化等化学处理之后,最后再涂上一层树脂,就能得到一种新的高性能材料。根据应用中碳纤维需要有不同的性能,所以在碳纤维的制造过程中,也可以添加其他材料,来达到性能的改变。

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值得说一下的是,碳纤维长时间与表面的那层树脂没有太大的关系在阳光的照耀下,表面的那一层树脂也会老化,但这并不会影响到碳纤维的使用,因为这种材料的性能主要是由里面的碳纤维决定的。

说了这么多碳纤维的性能以及应用方面的东西,但它最根本的东西就是一些比头发丝还要小很多的纤维丝,一根碳纤维的直径大约是10厘米,当7、8根碳纤维聚集在一起的时候,才相当于一根头发丝的大小。

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这么细小的东西,到底是什么时候才被人们发明出来的呢?其实碳纤维发明出来的时间比较早,也可以追溯到“发明大王”爱迪生那里,因为爱迪生曾用碳纤维作为灯泡的灯丝,但那个时候生产出来的碳纤维缺点非常明显,容易碎,使用的寿命又不长,所以后来灯丝也就被钨丝替代了。

此后碳纤维的发展也一直停滞不前,就这样过了几十年,到了20世纪中期,美国为了要解决武器中耐高温和耐烧灼的问题,碳纤维才真正的作为一种高端前沿的复合材料被人们研究,世界的科技大国也开始进入研发这种材料。美国和日本就是因为研究碳纤维的时间比较早,就在这方面占有更大的优势。

碳纤维有什么用途?中国用新工艺生产高强度材料

中国开始研究碳纤维的时间也不算太晚,在上个世纪60年代就已经开始了,但进展非常缓慢,等到了70年代,才真正实现了碳纤维从0~1的突破。但中国碳纤维的发展,此后乃至到了20世纪结束都没有太多的消息。

我认为其中可能是有两个原因,一是因为国家还比较贫穷,囊中羞涩的时候,当然也就很难拿得出资金来搞研发,对于这些拥有基础性回报周期又比较长的项目,就很难顾及了;二是国内人员的认识不足,他们认为大力度去搞这些先进的材料科技,现阶段是没有必要的,可以等到需要搞什么科技产品的时候,才研究相对应的材料。

幸好在21世纪初,我国师昌绪院士积极推动碳纤维材料的发展,这个项目在2002年也入选了国家863计划,这才使得我国的碳纤维材料发展有了快速的提升,而且中国的科学家也会集中在一些超高强度的碳纤维材料进行研发。

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在2018年,中国的碳纤维产量已经达到了3.56万吨,超过了一般的2.68万吨,美国的产量是3.73万吨,无疑中国在产量上已经超过了日本,但在性能上我们还是落后很多,这并不是我们的科学家不够努力,不是因为美国、日本等企业研发的时间比较早,我们真正发力研发的时间比较晚,才造成了这种局面。

幸好在2020年,中国的科学家成功制取的聚丙烯腈基中空碳纤维通过验收,这也标志着我国也在聚丙烯腈基碳纤维领域正式成为全球的第3个国家,原先拥有的两个国家分别是德国和日本,这种性能的碳纤维,连美国也还没有研发出来。

聚丙烯腈基碳纤维是属于T-1000级超高强度碳纤维,它拥有更高的强度,而且综合性能相对也比T800的碳纤维更为优越,用于制造出来的飞机和火箭的性能也会变得更加优秀。像这些性能非常优越的碳纤维材料,美国和日本通常都是垄断的,并且禁止向我国出口,而现在我国已经实现了可以自主研发这种优秀的碳纤维材料,也就不用再担心别人卡脖子了。

碳纤维有什么用途?中国用新工艺生产高强度材料

但美国明显是没有聚丙烯腈基碳纤维材料,难道他就不害怕别人卡脖子吗?其实美国还真的不用在这方面担心,因为他的小弟比较多,如果美国真的需要这种碳纤维材料,就可以从日本那里购买。

全球规模最大的碳纤维公司,就是日本的东丽集团,这个公司当然也可以提供高超强度的高端碳纤维材料,美国的波音公司就给了日本东丽集团长达50年的订单,这也使得东丽集团的地位非常牢固,但更重要的是美国不想让其他国家卡脖子。

我国科学家研制出这种超高强度碳纤维材料的意义还是非常大的,我们不仅可以摆脱被别人掐脖子的命运,而且国际市场的价格也马上暴跌。在我们还没有能生产出这种超高强度碳纤维材料的时候,国际市场的价格通常都是2万元一公斤,当我们有这种生产能力之后,就变成了1万元一公斤,真的是改变了不少。

碳纤维有什么用途?中国用新工艺生产高强度材料

综上所述,碳纤维作为一种新型的复合材料,它的性能非常优越,在很多高科技产品中都会有它的应用;虽然中国在研究碳纤维这方面的起步时间并不算太晚,但由于受到许多条件的限制,碳纤维的研究长时间都没有得到很大的进展。

幸好进入了21世纪,在师昌绪院士的大力推动之下,中国的碳纤维材料终于迎来了春天,获得了大力的发展,在2018年的时候,产量就已经超过了日本,不过我们也不会因为这些成绩就沾沾自喜,还会继续努力研究出性能更加优越的碳纤维材料。

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