碳纤维复合材料论Word格式.docx
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碳纤维比重小,因此有很高的比强度。
碳纤维是山含碳量较高,在热处理过程中不熔融的人造化学纤维,经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7—9倍,抗拉弹性模量为23000—43000Mpa亦高于钢。
因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比钢高。
用途
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,制成结构材料。
碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。
在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。
碳
纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的,现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。
随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻,促使科技工作者不断努力提高。
80年代初期,高性能及超高性能的碳纤维相继出现,这在技术上是乂一次飞跃,同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。
由碳纤维和
环氧树脂结合而成的复合材料,由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。
因为航天飞行器的重量每减少1公斤,就可使运载火箭减轻500公斤。
所以,在航空航天工业中争相采用先进复合材料。
有一种垂直起落战斗机,它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4,占机翼重量的1/3。
据报道,美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等,都是用先进的碳纤维复合材料制成的。
现在的
F1(世界一级方程锦标赛)赛车,车身大部分结构都用碳纤维材料。
顶级跑车的一大卖点也是周身使用碳纤维,用以提高气动性和结构强度碳
纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。
传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外,一般不单独使用,多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,构成复合材料。
碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、
汽车板簧和驱动轴等。
优势
1、高强度(是钢铁的5倍)2、出色的耐热性(可以耐受2000°
C以
上的高温)3、出色的抗热冲击性4、低热膨胀系数(变形量小)
5、热容量小(节能)6、比重小(钢的1/5)1、优秀的抗腐蚀
与辐射性能
我国碳纤维市场特点及商机展望
世界碳纤维产能、需求和价格变化见图1。
国际碳纤维市场的发展呈现波浪型推
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进。
图1世界碳纤銀的产陡.爲怎和价格雯化图
2000年前后和2008年前后两次碳纤维的市场波峰和各级政府的大力推动,使我国大量投资者进入碳纤维领域。
从全球碳纤维发展40年历史看,供需信息不对称或矛盾是造成近20年碳纤维价格波动的主要原因。
前一轮的价格高峰从2007年开始,到2009年突然下滑,使一些碳纤维厂不得不关闭部分生产线,业界认为主要原因是商用大飞机生产的延误所致。
从2008年起世界各主要厂家的扩产计划重新启动,日本企业预测碳纤维材料价格将上涨。
主要碳纤维厂不同年份新产能的增加情况及年平均增长率见图2和表1。
30
25
15
芍
20042005200620072008
■Formosa
□Hezcel
□Cytec
□Aldla+SGL
□SGL
□Mitsubishi
□Toray
□Toho
□Zoltek
年份/a
图2世界威纤维厂不同年佑新产能的増加情况
表1世界主要碳纤维厂产能平均年增长率统计
%
厂家龙称
2007-2008年
2002〜2007年
Fonnosa
55.7
16.4
Zoltek
44.6
30.9
SGL
37.9
8.8
Toho
29.7
10.2
Toray
28.8
13.7
Hexcel
26.8
7.0
Mitsubishi
1L<
Cytec
14.9
Zoltek公司依据H前迅猛增长的风电叶片和汽车市场,在2010年9月30日的
国际碳纤维会发表观点认为:
2010〜2013年,碳纤维市场需求将以每年30%增长;
到2017年,全球碳纤维的产能将达到40万t/m而2010年全球的产能也就5万
t/ao111此新一轮价格上涨趋势已形成,至2010年底,全年涨幅超70%已成事实。
2中国碳纤维领域的投资现状及严峻挑战
据不完全统讣,到U前为止国内已有32家公司宣布投资碳纤维领域,同时国内还有10家碳纤维专门研究机构。
如果按这32家宣布的计划产能,已经是U前全世界实际产能数据的2〜3倍。
这32家公司分布在16个省、市或直辖市(见图3),其中已经实际投入的有28家,目前,已经投产的有17家;
其中,绝大部分实际产能在lOOt/a以下。
忖前大都已开工碳纤维厂家的产品规格是lk、3k或6k,个别有12k,性能在T300级水平左右,品质均匀度还有待提高;
T700级碳纤维还
图3中国碳纤维投资者省份分布
山于市场小丝束碳纤维的需求量有限,不少已经开工的企业正在为碳纤维的销路发愁。
3国际碳纤维利润与成本
⑴根据2001〜2002年的数字,国际主要碳纤维厂利润情况见表2(平均行业利润率:
15.7%)。
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2国际主要碳纤维厂商利润情况
厂家名称
销隹额
净利汹
100
SO
Mitsubislu
60
SQL
J4
36
HckccI
75
Foilafil
16
舍计
4?
6
67
⑵碳纤维各丄艺分担成本见表3,碳纤维的成本构成见图4。
表3
碳纤维各制造工艺分担成本
工艺
成本#矣元・1『)
成本比/%
原丝
5.04
51
虱化
1.54
確化
232
23
复面上浆
0J7
4
卷蝇色裝
0.61
总计
9.88
注:
1lb=0.4S4kg
194碳纤维的版本恂底
4碳纤维的产业链和价值链
4.1碳纤维的取材形式及比例
预浸布:
51.6%,编织布:
20%(其中有12.4%要经过预浸进入后段),短切纱:
19%,纤维丝束通过缠绕等方式直接使用:
9.9%,具体见图5。
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4.2碳纤维产业链关联度非常紧密,上游帮扶下游就是帮自己碳纤维产业链见图6所示。
碳纤维制造企业因为资金和技术的优势,要成为引领整个产业链的生力军!
市场培育任重道远!
只有不断推进从碳纤维向纤维材料以及复合材料制品的纵深发展,完善产业链,扩大碳纤维的应用范围,才能使整个碳纤维行业实现跨越式的发展。
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4.3碳纤维产业链中的价值链我们常听到关于碳纤维价值链的说法是:
从石油原料到碳纤维,增值关系是1到3,而把碳纤维做成复合材料,增值可以到10。
而国际上还有一个类似的说法:
一个工业用碳纤维复合材料零件的成本构成,其中碳纤维和树脂的成本占25%,把碳纤维转成预浸料或编织布(我们称之为纤维材料),转化成本为15%,而把纤维材料制造成复合材料构件,需要60%的成本,原因是这个过程的边角废料太多,主要是沿袭于航空航天的成型工艺效率太低。
当很多人抱怨:
碳纤维因为价格太高而影响其应用面时,我们必须重视除了25%〜30%的碳纤维成本之外的其它70%〜75%的纤维和构件成型的巨大成本。
否则,即使碳纤维成本降得再低,做出的复合材料成本还是惊人!
结论
中国碳纤维“平民化”发展之路探讨
碳纤维因品种和质量的不同,价格从100多元/kg至1J5万多元/kg(日本东丽的M60J据说曾炒到这个价格)都有。
其中,走小批量、高精尖的品种,我们不妨戏称为“贵族碳纤维”,而量大、价格相对低的碳纤维,我们则戏称为“平民化碳纤维”。
中国堪称是世界碳纤维研发的“老人”,但却是产业化的“新手”,所以,对于中国众多碳纤维企业来说,探讨“平民化”之路有实质意义。
(注:
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