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      機器人、航空航天、海洋工程裝備、醫療器械……原來這些行業這樣使用碳纖維

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      【摘要】:

       碳纖維作為一種新型高科技材料,雖然應用成本比傳統金屬材料要高,但是在提升產品性能、加速產業提質升級方面具有特殊意義。國務院印發《關于中國制造2025的通知》中明確提出了高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進軌道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、農機裝備、生物醫藥及高性能醫療器械等重點發展領域,碳纖維材料在這些領域中均有不同形式的應用。

        1、高檔數控機床、機器人

        中國制造2025發展戰略把精密、高速、高效、柔性數控機床與基礎制造裝備及集成制造系統作為高檔數控機床的重點任務,要求機器人產業加速滿足市場對汽車、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業機器人、特種機器人,以及醫療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人日益增長的需求。

        以碳纖維材料制成的輥軸、齒輪等機床零配件,在動平衡、啟動制停速度、降低能耗和使用壽命方面具有很大的價值空間,成為高端機械積極探索和實現產品更新換代的重要途徑和方向。碳纖維機械手臂、碳纖維機械關節等這些機器人產業對新材料的應用,使機器人能在很大程度上擺脫自重過大的弊端,并利用碳纖維材料較小的蠕變性保證了在溫差較大的環境中穩定的工作狀態,在更輕更強的優勢中獲得了更高層面的應用潛力。

        2、航空航天裝備

        加快大型飛機研制,開發先進機載設備及系統,形成自主完整的航空產業鏈,發展新一代運載火箭、重型運載器,提升進入空間能力,推進航天技術轉化與空間技術應用是中國2025制造整體戰略對航空航天裝備事業提出的總體目標。

        碳纖維增強樹脂基復合材料是生產武器裝備的重要材料。在戰斗機和直升機上,碳纖維復合材料應用于戰機主結構、次結構件和戰機特殊部位的特種功能部件。國外將碳纖維/環氧和碳纖維/雙馬復合材料應用在戰機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明顯的減重作用,大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能,數據顯示采用復合材料結構的前機身段,可比金屬結構減輕質量31.5%,減少零件61.5%,減少緊固件61.3%;復合材料垂直安定面可減輕質量32.24%。

        高模碳纖維質輕,剛性,尺寸穩定性和導熱性好,因此很早就應用于人造衛星結構體、太陽能電池板和天線中?,F今的人造衛星上的展開式太陽能電池板多采用高模碳纖維復合材料制作,而太空站和天地往返運輸系統上的一些關鍵部件也往往采用高模碳纖維復合材料作為主要材料。

        3、海洋工程裝備、高技術船舶

        《通知》要求大力發展深海探測、資源開發利用、海上作業保障裝備及其關鍵系統和專用設備。碳纖維材料已成為深海探測及深海油田氣開發中必不可少的材料,碳纖維臍帶管加強桿、錨泊系纜、采油立管、柔性立管等結構件在深海石油平臺上的應用越來越多。

        油氣田生產深度一般在3000m以上,勘探深度在4000m以上,油氣田結構件設計必須達到25年免維護的標準。傳統海上油氣田相關用材為鋼材,如將平臺錨固到海底的系纜和連接油井口到平臺的管纜。鋼制繩索和管子的重量增大了平臺的漂浮尺寸,增加能耗。鋼材在海水的浸泡下也極易腐蝕,工作壽命只有兩到三年,周期性檢修和管纜維護成本極高。相比之下,碳纖維材料的性能具有明顯的優越性,例如一個1500m水深的作業平臺,鋼制繩索重約6000t,而改用碳纖維復合材料質量僅有1000t。另外,其高強度、高模量、優異的抗疲勞性和耐腐蝕性,使其工作壽命可超過25年,極大地減少了維護成本。在高技術船舶中,碳纖維材料的應用也在逐步發展,如碳纖維艏側推水密蓋板等碳纖維船舶結構件的開發和利用,對船舶在速度和能耗方面都有顯著的影響。

        4、先進軌道交通裝備

        中國2025制造戰略將加快新材料、新技術和新工藝的應用,重點突破體系化安全保障、節能環保、數字化智能化網絡化技術,研制先進可靠適用的產品和輕量化、模塊化、譜系化產品作為研發新一代綠色智能、高速重載軌道交通裝備系統,建立世界領先的現代軌道交通產業體系的主要途徑。

        碳纖維材料能完美演繹“節能環?!迸c“輕量化”兩個概念,軌道車輛中的車頭罩座椅骨架、轉向架等車體結構件及墻板、頂板、間壁、座椅骨架、司機臺等內飾部件都可以使用碳纖維復合材料,輕量化在實現車體大幅度減重的同時,減少燃料使用和廢氣排放,提升車速。材料本身的高強度、高拉伸載荷力以及極小的變形性也在一定程度上保障了車體安全。但是車體內部為封閉性空間,高速運行之下,車體內部環境對構成車體的結構材料和內飾材料都提出了更高要求。

        5、節能、新能源汽車

        電動汽車、燃料電池汽車的發展在中國制造2025戰略路線中將繼續得到支持,戰略要求其以更完整的工業體系和創新體系,推動自主品牌節能與新能源汽車同國際先進水平接軌。

        新能源汽車在繼承傳統汽車對碳纖維積極應用的基礎上,必須有更大的應用力度,因為其在降低自重、解決能耗、減少充電頻率、延長電池使用壽命方面有更強的需求,特別是在減少污染和能耗方面,這也是新能源車區別于傳統汽車的價值與意義所在。在此情況下,政府制定的車輛燃料經濟性嚴格標準和二氧化碳排放法規促使新能源汽車必須選擇碳纖維復合材料。電動汽車的重量比傳統汽車要超過200-300 kg,為保證電動汽車有較好的續駛里程及可承受成本,電動汽車的車身重量必須減重50%以上。在所有輕量化材料中,碳纖維復合材料是唯一能替代鋼質零部件,減重達50-60%,并提供同等強度的先進材料。

        除了外觀覆蓋件之外,轉向架、車廂、內飾、設備倉、摩擦材料、電池盒等等都屬于碳纖維復合材料的應用范圍。

        6、電力裝備

        根據中國制造2025的通知精神,新能源和可再生能源裝備、先進儲能裝置、智能電網用輸變電及用戶端設備發展將得到大力推進。在可再生能源裝備方面,碳纖維應用較廣的形式是作為風力發電槳葉使用,其強度高、重量輕,是風力發電理想的材料。

        在先進儲能裝置方面,飛輪儲能是一種新型綠色儲能技術,其將電能轉換為高轉速的飛輪,在需要的時候,再通過發電機轉換為需要的電能,不需要時飛輪仍做高速運轉,在使用和維護過程中不會產生任何化學材料垃圾??梢詿o數次充放電,使用壽命十分長。質量輕、強度高的碳纖維材料對儲能飛輪的意義重大,目前國內外對碳纖維儲能飛輪的開發和利用較多。

        在智能電網用輸變電及用戶端設備方面,國家電網正在向全國推廣應用的一款變電站巡檢機器人智能化工作效果顯著。該款機器人采用的是自主充電的方式,充滿一次可運行5-6小時,每充一次電至少要對設備進行兩輪全面巡檢,每輪巡視至少要2個小時,因此,機器人的所蓄電能應盡量用于檢測運行。為保證機器人能耐受更長時間的高強度工作,該款巡檢機器人采用了可伸縮式碳纖維套管機械臂,該機械臂由從寬到窄7個不同型號的臂管組成,壁厚從0.5mm到2mm不等,總重量僅有3KG,大幅度降低了機器人巡檢時的耗能,從而延長了工作時間,提高了工作效率。另外,碳纖維材料具有良好的抗腐蝕和耐疲勞性,在較大的溫差下也能保持極小的蠕變性,因此該款巡檢機器人完全可以適用于高海拔、酷熱、極寒、大風、沙塵、多雨等惡劣環境下的配電站。

        7、農機裝備

        中國制造2025戰略要求重點發展大宗糧食和戰略性經濟作物育、耕、種、管、收、運、貯等主要生產過程中使用的先進農機裝備,加快發展高端農業裝備及關鍵核心零部件,提高農機裝備信息收集、智能決策和精準作業能力。

        作為農業大國,如何集中有效地檢測農作物生長情況以及噴灑農藥是高端農業裝備正積極解決的問題之一,具有節約農藥使用量、作業精度高,防治效果好的農用植保機能通過遠距離遙控操作的方式,幫助噴灑作業人員避免直接接觸農藥,提高了噴灑作業安全性,并以更精準的方式在很大程度上降低資源成本。用于農業監測的無人機能及時、準確地掌握農作物生長情況,為農業措施提供可靠信息。

        碳纖維槳片、碳纖維機殼、碳纖維壁管等碳纖維復合材料成為無人植保機制造的主流材料。比重僅為鋼四分之一的碳纖維材料,柔韌性好、比強度高,抗拉強度卻是普通鋼材的10倍以上,具有優異的抗蠕變和抗震性,同時具有良好的耐久性和耐腐蝕性,對耐酸、堿、鹽及大氣環境的腐蝕都有一定的承受性,可以有效延長無人機的使用壽命。

        8、高性能醫療器械

        作為國計民生的關注焦點,醫療器械產業成為中國制造2025戰略要點之一。其強調,必須提高醫療器械的創新能力和產業化水平,重點發展影像設備、醫用機器人等高性能診療設備和醫療產品。

        隨著世界范圍內腫瘤病患者的日益增多,放射性醫療設備的需求量迅速上升,放射性診斷及治療設備隨著技術發展已逐漸向放射劑量小及成像分析數字化的方向靠攏,在放射性醫療設備及輔助器械的使用上,要求相關配件對X射線透過性能好,在滿足使用的前提下,盡可能地降低放射性物質對患者以及醫護人員的危害,與此同時,這些配件的強度以及耐用性還要滿足設備使用的高頻度要求,在質量、衛生性、可靠性和精度方面都需符合高標準醫用設備的標準參數。碳纖維復合材料具有滿足以上各項要求的優異性能,因此,碳纖維放射性頭托、床面板、放療定位架、乳腺機支撐板、DR平板探測器等碳纖維醫療器械和診療設備在臨床中得到了越來越多的應用。

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