碳纖維與中國(guó)制造2025

Insigne

0,、概 述

碳纖維作為一種新型高科技材料,，雖然應(yīng)用成本比傳統(tǒng)金屬材料要高,，但是在提升產(chǎn)品性能,、加速產(chǎn)業(yè)提質(zhì)升級(jí)方面具有特殊意義,。國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于中國(guó)制造2025的通知》中明確提出了高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人,、航空航天裝備,、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、先進(jìn)軌道交通裝備,、節(jié)能與新能源汽車,、電力裝備、農(nóng)機(jī)裝備,、生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械等重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域,，碳纖維材料在這些領(lǐng)域中均有不同形式的應(yīng)用。

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1,、高檔數(shù)控機(jī)床,、機(jī)器人

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中國(guó)制造2025發(fā)展戰(zhàn)略把精密、高速,、高效,、柔性數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備及集成制造系統(tǒng)作為高檔數(shù)控機(jī)床的重點(diǎn)任務(wù)，要求機(jī)器人產(chǎn)業(yè)加速滿足市場(chǎng)對(duì)汽車,、機(jī)械,、電子、危險(xiǎn)品制造,、國(guó)防軍工,、化工、輕工等工業(yè)機(jī)器人,、特種機(jī)器人,，以及醫(yī)療健康、家庭服務(wù),、教育娛樂等服務(wù)機(jī)器人日益增長(zhǎng)的需求,。

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以碳纖維材料制成的輥軸、齒輪等機(jī)床零配件,，在動(dòng)平衡,、啟動(dòng)制停速度、降低能耗和使用壽命方面具有很大的價(jià)值空間,，成為高端機(jī)械積極探索和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更新?lián)Q代的重要途徑和方向,。碳纖維機(jī)械手臂、碳纖維機(jī)械關(guān)節(jié)等這些機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)新材料的應(yīng)用，使機(jī)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(huán)境中穩(wěn)定的工作狀態(tài),，在更輕更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)中獲得了更高層面的應(yīng)用潛力。

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2,、航空航天裝備

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加快大型飛機(jī)研制,，開發(fā)先進(jìn)機(jī)載設(shè)備及系統(tǒng)，形成自主完整的航空產(chǎn)業(yè)鏈,，發(fā)展新一代運(yùn)載火箭,、重型運(yùn)載器，提升進(jìn)入空間能力,，推進(jìn)航天技術(shù)轉(zhuǎn)化與空間技術(shù)應(yīng)用是中國(guó)2025制造整體戰(zhàn)略對(duì)航空航天裝備事業(yè)提出的總體目標(biāo),。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是生產(chǎn)武器裝備的重要材料。在戰(zhàn)斗機(jī)和直升機(jī)上,，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于戰(zhàn)機(jī)主結(jié)構(gòu),、次結(jié)構(gòu)件和戰(zhàn)機(jī)特殊部位的特種功能部件。國(guó)外將碳纖維/環(huán)氧和碳纖維/雙馬復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)機(jī)機(jī)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(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機(jī)身段,，可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量31.5%,，減少零件61.5%,，減少緊固件61.3%,；復(fù)合材料垂直安定面可減輕質(zhì)量32.24%。

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高模碳纖維質(zhì)輕,，剛性,，尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性好，因此很早就應(yīng)用于人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體,、太陽能電池板和天線中�,，F(xiàn)今的人造衛(wèi)星上的展開式太陽能電池板多采用高模碳纖維復(fù)合材料制作，而太空站和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)上的一些關(guān)鍵部件也往往采用高模碳纖維復(fù)合材料作為主要材料,。

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3,、海洋工程裝備、高技術(shù)船舶

《通知》要求大力發(fā)展深海探測(cè),、資源開發(fā)利用,、海上作業(yè)保障裝備及其關(guān)鍵系統(tǒng)和專用設(shè)備。碳纖維材料已成為深海探測(cè)及深海油田氣開發(fā)中必不可少的材料，碳纖維臍帶管加強(qiáng)桿,、錨泊系纜,、采油立管、柔性立管等結(jié)構(gòu)件在深海石油平臺(tái)上的應(yīng)用越來越多,。

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油氣田生產(chǎn)深度一般在3000m 以上,，勘探深度在4000m 以上，油氣田結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)必須達(dá)到25年免維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn),。傳統(tǒng)海上油氣田相關(guān)用材為鋼材,，如將平臺(tái)錨固到海底的系纜和連接油井口到平臺(tái)的管纜。鋼制繩索和管子的重量增大了平臺(tái)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(hù)成本極高,。相比之下，碳纖維材料的性能具有明顯的優(yōu)越性,，例如一個(gè)1500m水深的作業(yè)平臺(tái),，鋼制繩索重約6000t，而改用碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量?jī)H有1000t,。另外,，其高強(qiáng)度、高模量,、優(yōu)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(hù)成本,。在高技術(shù)船舶中,，碳纖維材料的應(yīng)用也在逐步發(fā)展，如碳纖維艏側(cè)推水密蓋板等碳纖維船舶結(jié)構(gòu)件的開發(fā)和利用,，對(duì)船舶在速度和能耗方面都有顯著的影響,。

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4、先進(jìn)軌道交通裝備

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中國(guó)2025制造戰(zhàn)略將加快新材料,、新技術(shù)和新工藝的應(yīng)用,，重點(diǎn)突破體系化安全保障、節(jié)能環(huán)保,、數(shù)字化智能化網(wǎng)絡(luò)化技術(shù),，研制先進(jìn)可靠適用的產(chǎn)品和輕量化、模塊化,、譜系化產(chǎn)品作為研發(fā)新一代綠色智能,、高速重載軌道交通裝備系統(tǒng),，建立世界領(lǐng)先的現(xiàn)代軌道交通產(chǎn)業(yè)體系的主要途徑。

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碳纖維材料能完美演繹“節(jié)能環(huán)�,！迸c“輕量化”兩個(gè)概念,，軌道車輛中的車頭罩座椅骨架、轉(zhuǎn)向架等車體結(jié)構(gòu)件及墻板,、頂板,、間壁、座椅骨架,、司機(jī)臺(tái)等內(nèi)飾部件都可以使用碳纖維復(fù)合材料,，輕量化在實(shí)現(xiàn)車體大幅度減重的同時(shí)，減少燃料使用和廢氣排放,，提升車速,。材料本身的高強(qiáng)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(nèi)部為封閉性空間,，高速運(yùn)行之下，車體內(nèi)部環(huán)境對(duì)構(gòu)成車體的結(jié)構(gòu)材料和內(nèi)飾材料都提出了更高要求,。為了進(jìn)一步滿足軌道交通裝備對(duì)車體安全的需求,，無錫威盛新材料科技有限公司專門針對(duì)高鐵等軌道車輛運(yùn)行的特殊性，研發(fā)出耐高溫阻燃性碳纖維復(fù)合材料,，在保持原有的機(jī)械強(qiáng)度,、耐腐蝕、抗輻射,、耐濕熱等優(yōu)勢(shì)的同時(shí),，提升了復(fù)合材料的耐磨性、韌性及透波性,，在遇到高溫或者火災(zāi)等事故時(shí),，能做到低煙、低毒和低熱釋放的性能,，大大提高了軌道交通車輛運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性,。通過推動(dòng)碳纖維在軌道車輛中的應(yīng)用，為中國(guó)高鐵走向世界再加馬力,。

5、節(jié)能,、新能源汽車

電動(dòng)汽車,、燃料電池汽車的發(fā)展在中國(guó)制造2025戰(zhàn)略路線中將繼續(xù)得到支持，戰(zhàn)略要求其以更完整的工業(yè)體系和創(chuàng)新體系,，推動(dòng)自主品牌節(jié)能與新能源汽車同國(guó)際先進(jìn)水平接軌,。

新能源汽車在繼承傳統(tǒng)汽車對(duì)碳纖維積極應(yīng)用的基礎(chǔ)上，必須有更大的應(yīng)用力度，因?yàn)槠湓诮档妥灾�,、解決能耗,、減少充電頻率、延長(zhǎng)電池使用壽命方面有更強(qiáng)的需求,，特別是在減少污染和能耗方面,，這也是新能源車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的價(jià)值與意義所在。在此情況下,，政府制定的車輛燃料經(jīng)濟(jì)性嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)和二氧化碳排放法規(guī)促使新能源汽車必須選擇碳纖維復(fù)合材料,。電動(dòng)汽車的重量比傳統(tǒng)汽車要超過200-300 kg，為保證電動(dòng)汽車有較好的續(xù)駛里程及可承受成本,，電動(dòng)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(fù)合材料是唯一能替代鋼質(zhì)零部件,，減重達(dá)50-60%,，并提供同等強(qiáng)度的先進(jìn)材料。

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除了外觀覆蓋件之外,，轉(zhuǎn)向架,、車廂、內(nèi)飾,、設(shè)備倉,、摩擦材料、電池盒等等都屬于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用范圍,。在無錫威盛新材料科技有限公司為新能源汽車提供的碳纖維結(jié)構(gòu)件中,，碳纖維吸能盒、防撞梁和電池盒體都是比較典型的應(yīng)用,，例如一個(gè)容積約為35L,，壁厚2mm的碳纖維電池箱體，重量?jī)H為2.7kg,，與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)材料制作的電池箱體相比大約能減重80%,，強(qiáng)度和荷載力比傳統(tǒng)鈑金件表現(xiàn)更佳。一款盒體凈重僅為463克的碳纖維復(fù)合材料低速吸能盒,，整個(gè)構(gòu)件重量比原金屬材料降低60%-80%,，面對(duì)沖擊時(shí)的能量吸收率卻非常高，甚至比鋼,、鋁等材料要高出4倍以上,，碳纖維復(fù)合材料的高強(qiáng)度特性使其抵抗和傳遞撞擊載荷的能力很強(qiáng)，因此非常適合用于汽車容易發(fā)生撞擊的部位,。

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6,、電力裝備

根據(jù)中國(guó)制造2025的通知精神,，新能源和可再生能源裝備、先進(jìn)儲(chǔ)能裝置,、智能電網(wǎng)用輸變電及用戶端設(shè)備發(fā)展將得到大力推進(jìn),。在可再生能源裝備方面，碳纖維應(yīng)用較廣的形式是作為風(fēng)力發(fā)電槳葉使用,，其強(qiáng)度高,、重量輕，是風(fēng)力發(fā)電理想的材料,。

在先進(jìn)儲(chǔ)能裝置方面,，飛輪儲(chǔ)能是一種新型綠色儲(chǔ)能技術(shù)，其將電能轉(zhuǎn)換為高轉(zhuǎn)速的飛輪,，在需要的時(shí)候,，再通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為需要的電能，不需要時(shí)飛輪仍做高速運(yùn)轉(zhuǎn),，在使用和維護(hù)過程中不會(huì)產(chǎn)生任何化學(xué)材料垃圾,。可以無數(shù)次充放電,，使用壽命十分長(zhǎng),。質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的碳纖維材料對(duì)儲(chǔ)能飛輪的意義重大,，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)碳纖維儲(chǔ)能飛輪的開發(fā)和利用較多,。

在智能電網(wǎng)用輸變電及用戶端設(shè)備方面，國(guó)家電網(wǎng)正在向全國(guó)推廣應(yīng)用的一款變電站巡檢機(jī)器人智能化工作效果顯著,。該款機(jī)器人采用的是自主充電的方式,，充滿一次可運(yùn)行5-6小時(shí)，每充一次電至少要對(duì)設(shè)備進(jìn)行兩輪全面巡檢,，每輪巡視至少要2個(gè)小時(shí),，因此，機(jī)器人的所蓄電能應(yīng)盡量用于檢測(cè)運(yùn)行,。為保證機(jī)器人能耐受更長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度工作,，該款巡檢機(jī)器人采用了可伸縮式碳纖維套管機(jī)械臂，該機(jī)械臂由從寬到窄7個(gè)不同型號(hào)的臂管組成,，壁厚從0.5mm到2mm不等,，總重量?jī)H有3KG，大幅度降低了機(jī)器人巡檢時(shí)的耗能,，從而延長(zhǎng)了工作時(shí)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(jī)器人完全可以適用于高海拔,、酷熱,、極寒、大風(fēng),、沙塵,、多雨等惡劣環(huán)境下的配電站。

7,、農(nóng)機(jī)裝備

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中國(guó)制造2025戰(zhàn)略要求重點(diǎn)發(fā)展大宗糧食和戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)作物育,、耕、種,、管,、收、運(yùn),、貯等主要生產(chǎn)過程中使用的先進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備,，加快發(fā)展高端農(nóng)業(yè)裝備及關(guān)鍵核心零部件，提高農(nóng)機(jī)裝備信息收集,、智能決策和精準(zhǔn)作業(yè)能力,。

作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，如何集中有效地檢測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況以及噴灑農(nóng)藥是高端農(nóng)業(yè)裝備正積極解決的問題之一,，具有節(jié)約農(nóng)藥使用量,、作業(yè)精度高，防治效果好的農(nóng)用植保機(jī)能通過遠(yuǎn)距離遙控操作的方式,，幫助噴灑作業(yè)人員避免直接接觸農(nóng)藥,，提高了噴灑作業(yè)安全性，并以更精準(zhǔn)的方式在很大程度上降低資源成本,。用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)的無人機(jī)能及時(shí),、準(zhǔn)確地掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)情況，為農(nóng)業(yè)措施提供可靠信息,。

碳纖維槳片,、碳纖維機(jī)殼、碳纖維壁管等碳纖維復(fù)合材料成為無人植保機(jī)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(qiáng)度高,，抗拉強(qiáng)度卻是普通鋼材的10倍以上,，具有優(yōu)異的抗蠕變和抗震性，同時(shí)具有良好的耐久性和耐腐蝕性,，對(duì)耐酸,、堿,、鹽及大氣環(huán)境的腐蝕都有一定的承受性，可以有效延長(zhǎng)無人機(jī)的使用壽命,。

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8,、高性能醫(yī)療器械

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作為國(guó)計(jì)民生的關(guān)注焦點(diǎn)，醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)成為中國(guó)制造2025戰(zhàn)略要點(diǎn)之一,。其強(qiáng)調(diào),，必須提高醫(yī)療器械的創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)化水平，重點(diǎn)發(fā)展影像設(shè)備,、醫(yī)用機(jī)器人等高性能診療設(shè)備和醫(yī)療產(chǎn)品,。

隨著世界范圍內(nèi)腫瘤病患者的日益增多，放射性醫(yī)療設(shè)備的需求量迅速上升,，放射性診斷及治療設(shè)備隨著技術(shù)發(fā)展已逐漸向放射劑量小及成像分析數(shù)字化的方向靠攏,，在放射性醫(yī)療設(shè)備及輔助器械的使用上，要求相關(guān)配件對(duì)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(zhì)對(duì)患者以及醫(yī)護(hù)人員的危害，與此同時(shí),，這些配件的強(qiáng)度以及耐用性還要滿足設(shè)備使用的高頻度要求,，在質(zhì)量、衛(wèi)生性,、可靠性和精度方面都需符合高標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),。碳纖維復(fù)合材料具有滿足以上各項(xiàng)要求的優(yōu)異性能，因此,，碳纖維放射性頭托,、床面板、放療定位架,、乳腺機(jī)支撐板,、DR平板探測(cè)器等碳纖維醫(yī)療器械和診療設(shè)備在臨床中得到了越來越多的應(yīng)用。

柳建凱

好,！很好,！非常好！

專業(yè)醬油男

東西很好,，價(jià)格忒貴,。

遠(yuǎn)祥

碳纖維如果價(jià)格能降下來，將會(huì)打力的普及！

互通有無

閣下,，是專業(yè)研究碳纖維的嗎

YIDA.

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