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[关键词]碳纤维复合材料;特性;应用
1、引言
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,主要作为增强材料与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成结构材料,其比强度、比模量综合指标在现有材料中是最高的,力学性能颇具优势,所以被广泛应用于各个领域。
2、碳纤维材料的特性
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特殊纤维,由含碳量较高、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,其含碳量随种类不同而异,一般90%以上,不仅具有一般碳素材料的特性,又兼具纺织纤维的柔软可加工性,但仅依靠碳纤维片本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能,只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密结合才能达到补强的目的,具体具有以下特性:
(1)沿纤维轴方向有很高的强度,碳纤维的拉伸强度为2~7GPa,约为钢材的10倍,其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230~430Gpa亦高于钢,经应力疲劳数百万次的循环试验,其强度保留率仍有60%,而钢材为40%,铝材为30%,玻璃只有20%~25%,所以所取安全系数为最低,但碳纤维的径向强度不如轴向强度,剪断强度弱,耐冲击性差;
(2)非氧化环境下具有突出的耐热性能,可以耐受2000℃以上的高温,碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降,而且温度越高,纤维强度越大;
(3)外形有显著的各向异性、柔软,可加工成各种织物、毡、席、带、纸及其他材料;
(4)热膨胀系数小,变形量小,结构尺寸稳定性好;
(5)具有极好的纤度,一般仅约19g,密度约为1.5~2g/cm3,比重比铝还要轻,重量约为钢材的1/5,比强度却是铁的20倍;
(6)耐腐蚀性好,碳纤维的成分几乎是纯碳,而碳又是最稳定的元素之一,除强氧化酸以外,能在各种有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,不存在生锈问题;
(7)耐磨性好,与金属对磨时,损耗很少,可制成高级的摩擦材料。
3、碳纤维在各领域的应用
据报道航天飞行器的重量每减少1Kg,就可使运载火箭减轻500Kg,所以在航空航天工业中争相采用先进复合材料,由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料,因其比重小、刚性好和强度高而成为火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备中必不可少一种先进材料。将碳纤维复合材料应用在战略导弹的弹体和发动机壳体上,可大大减轻重量,提高导弹的射程和冲击能力;碳纤维应用在舰艇上可减轻结构重量,增加舰艇有效负载,从而提高运送作战物资的能力;在飞机上大量应用碳纤维环氧复合材料能够减轻重量、节省燃油、降低排放、减少温室气体的排放;用碳纤维制作的耳机重量轻、强度好,既能减轻头部压力,又提高了人员佩戴的舒适性。
在土木建筑领域,碳纤维也应用在工业与民用建筑物、铁路、公路、桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强,具有密度小、强度高、耐久性好、应变能力强、抗腐蚀能力强的特点,可耐酸、碱等化学品腐蚀, 柔韧性佳。用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶, 比钢材轻50%左右, 使大型结构物达到了实用化的水平,而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高, 碳纤维做补强混凝土结构时, 不需要增加螺栓和铆钉固定, 对原混凝土结构扰动较小, 施工工艺简便。
在运动休闲领域中,像球杆、钓鱼竿、网球拍、羽毛球拍、自行车、滑雪杖、滑雪板、帆板桅杆、航海船体等运动用品都是碳纤维的主要用户之一。体育应用中的重要应用为球棒和球拍框架,全世界40%的球棒都是由碳纤维制成的,全世界碳纤维钓鱼杆的产量约为每年2000万副,网球拍框架的市场容量约为每年600万副,碳纤维还应用在划船、赛艇等其它海洋运动中。
日常用品中音响、浴霸、取暖器,远红外理疗产品等家用电器以及手机、笔记本电脑等电子产品都会应用到碳纤维。
4、结束语
由于碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好、设计性好以及可大面积整体成型等诸多优点,已在航空航天、国防军工和民用工业领域得到广泛应用。据《2013-2017年中国碳纤维行业深度调研与投资战略规划分析报告》数据显示我国是碳纤维需求大国,2011年碳纤维市场规模达到6811.22吨,然而受供应不足的影响,国内碳纤维市场发展相对较为缓慢,预计未来几年,随着供应量的提升以及宏观经济的整体性好,我国碳纤维行业的需求量也将保持着较快速度的增长,不过国产碳纤维落后的技术却成为制约着我国碳纤维行业健康稳健发展的“拦路虎”,这直接导致我国碳纤维产品质量与进口产品之间的明显差距,也极大地限制了国产碳纤维产品在高端领域的应用,目前我国碳纤维产品在应用上集中于低端领域,在碳纤维质量要求较高的航空航天领域的应用比例仅为3%,远远没达到国际上碳纤维行业在航空航天领域应用占比的平均水平,而在质量要求相对较低的运动休闲用品领域,碳纤维的应用比例却高达80%左右,四倍于国际上碳纤维在运动休闲用品领域应用的平均水平,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碳纤维的生产工艺技术水平。
参考文献
[1]Doug Smock.准备迎接碳材料革命.美国 技术专题
“围绕质量兴省,河南将加大品牌培育力度,围绕培育壮大战略支撑产业,以优势骨干企业为主体,着力通过自主创新、品牌经营、商标注册、专利申请等手段,培育一批拥有自主知识产权、核心技术和市场竞争力强的知名品牌,鼓励优势企业积极争创品牌产品,力争到2012年,培育100个中国名牌、800个河南名牌。”河南省质量技术监督局副处长宋松林指出,为鼓励企业争创品牌,河南省设立了省长质量奖,将本着“总量控制、公正公开、优中选优”的原则,每年评出不超过10家企业,每家奖励100万元。
“质量是企业的生命,检测是品牌的基础,品牌是企业的形象,是竞争力,是效益,河南省纺织检测中心将对纺织服装企业申报名牌检测实行免费服务。”纺织产品质量监督检验测试中心主任陈长海在会上表示。
“质量兴省”不是空话
“各级政府要进一步强化质量工作的主导地位,把质量工作纳入国民经济和社会发展规划。结合落实国家产业调整和振兴规划,加快制定我省质量发展纲要,明确质量发展目标、任务和措施。大力开展质量兴市(县)、质量兴业活动,调整和优化产业结构,加快淘汰落后产能,提高经济运行质量和效益。建立健全质量研究机构,加强宏观质量理论和应用研究。完善质量状况分析报告制度,制定完善以质量竞争力指数为主要内容的宏观质量综合评价指标并纳入国民经济和社会发展统计及评价考核体系。”近日的河南省人民政府《关于实施质量兴省战略的决定》指出,以促进自主创新、节能降耗、环境保护和农产品、食品安全为重点,建立健全河南省科学、统一、规范的技术标准体系。及时跟踪和掌握国内外先进标准情况,健全技术标准服务平台和标准制定修订快速应急机制。鼓励企业积极采用国际标准和国外先进标准,支持省优势产业、企业加强创新技术标准和先进技术标准的研制,将具有自主知识产权的技术和专利及时转化为标准,将具有比较优势产品的企业标准上升为国家标准或国际标准。大力推进以食品、农产品质量安全标准体系为核心的农业标准化,建立和完善省主导农产品、特色农产品标准体系和以农业示范区为载体的农业标准化示范推广体系,力争到2012年优势农产品标准化生产达到80%以上。
该决定强调企业应发挥主体作用。企业是质量安全的主体和第一责任人,要对所生产经营的产品质量安全负责,牢固树立“质量第一”的观念,把保证质量安全、提高质量水平作为首要责任,严格执行国家法律、法规和强制性标准,确保出厂产品批批合格,确保产品质量安全。全面加强质量管理,积极采用国内外先进的质量管理方法和技术,建立健全从产品设计、原料采购、生产加工、出厂检验到售后服务的全过程质量管理体系,积极推行质量、环境、职业健康安全等管理体系认证,大力开展质量兴企、质量改进、节能降耗、质量管理小组等活动。围绕提高产品质量,增强自主创新能力,加快技术进步,优化产品结构,积极采用新技术、新工艺、新材料,开发具有核心竞争力、高附加值和自主知识产权的新产品,提高产品档次和质量水平。
要加快制定省名牌产品培育发展规划,围绕培育壮大战略支撑产业,以优势骨干企业为主体,着力通过自主创新、品牌经营、地理标志保护、商标注册、专利申请等手段,培育一批拥有自主知识产权、核心技术和市场竞争力强的知名品牌,壮大一批在全国乃至国际上具有较强竞争力的大型企业集团。建立和完善以消费者认可和市场评价为基础的名牌产生机制,鼓励优势企业积极争创名牌产品。发挥名牌战略带动作用,鼓励以名牌产品为龙头,以资本为纽带,促进产业集聚,做大做强我省战略支撑产业。加大扶优扶强力度,将名牌产品、地理标志产品、驰名商标、自主创新产品优先列入政府采购目录。加强对自主品牌的保护和宣传,增强企业和全社会保护自主知名品牌的意识和责任。力争到2012年,培育50个地理标志产品、100个中国名牌产品、800个河南名牌产品。
寄望“名牌战略”
近年来,河南省发挥自身优势,纺织工业实现了快速发展。2008年,规模以上纺织企业实现工业增加值335亿元,销售收入达到1188亿元,分别比2000年增长了4倍,从2003年全国第九位上升到第六位;完成固定资产投资266.8亿元,年均增速44.8%,高出全国17.2个百分点;纱和化纤产量分别位居全国第三和第五位,其中针织纱线产量占全国的1/3,是我国最大的针织纱线生产基地;服装工业增加值比重达到16.1%,比2000年提高9个百分点;以裤业为特色的郑州服装产业年销售收入突破100亿元,以针织内衣为特色的安阳针织产业年销售收入超过50亿元,新野、尉氏、新密、扶沟、虞城等一批特色园区初具规模。
“河南纺织工业在快速发展的过程中,也积累了一些结构性矛盾。主要表现为:产业链发展不平衡,呈现前大后小的特征;新产品开发和品牌建设相对滞后,创新型人才缺乏;产业配套体系发展滞后,对行业持续发展造成影响;产业集群处于萌芽和初级阶段,集聚程度不高。”《河南省纺织工业调整振兴规划》对该省纺织工业的总体形势研判后指出,河南省纺织产业主要存在四个问题:一是产业链短,棉纺织发展较快,但印染和服装行业发展较慢,产业体系不完整,形不成综合优势。二是工艺、技术、装备水平落后,导致产品档次不高,难以适应消费升级要求。三是缺少专业市场,网络不完善,专业物流体系欠发达。四是缺乏品牌和龙头企业,品牌效应和带动能力不强。
《规划》进一步阐述,河南省纺织工业属于“三有一机”产业。“三有”:一是有潜力、成长性好。纺织工业产品是终端消费品,也是必需品,市场稳定且空间巨大,具有较好的成长性。国外、国内消费需求和产业需求的快速增长,特别是河南众多人口形成的对纺织品服装潜在的庞大消费市场,都将成为拉动纺织工业快速发展的持久动力。二是有优势。河南纺织工业在国内、国际均具有比较优势,并将会持续一段时间。第一有产业基础,河南棉纺能力达到1500万锭,位居国内第三位,拥有一批行业骨干企业,针织服装产业链正在逐步形成,形成了一批特色产业集群;第二是原材料、劳动力资源等要素成本优势突出,河南是近1亿人口的大省,劳动力供给和低成本优势将长期存在,棉花资源丰富,土地和电力供应相对充足,发展纺织工业具有成本竞争优势;第三是独特的地理区位优势。河南地处中原,是我国内陆交通运输的重要枢纽,既在辐射国内市场特别是中西部地区市场方面具有独特的区位优势,又与东部纺织强省相邻,在承接产业梯度转移、积极开拓国际市场方面具有有利条件。因此,只要解决了自身问题,产业竞争力就会大幅提高。三是有全局性意义。纺织工业产业链长、关联度高,从棉花等原材料开始一直延伸到服装产业,横向与化纤产品密切相关,是扩充就业的主渠道,对于河南这样的人口大省具有全局性的重要意义。“一机”是指当前纺织产业调整升级和产业转移步伐加快,河南具有承接转移的良好基础,面临着难得机遇。
“加快纺织工业发展对于优化河南产业结构、扩大就业、促进消费结构升级等具有全局性的重要意义,符合竞争性强、成长性好、关联性高的产业选择要求,应该把纺织工业作为战略支撑产业来培育发展,引导、支持其做大做强,力争做成中国纺织工业强省和重要的纺织工业基地,并努力在全球纺织工业领域占一席之地。”《规划》指出,河南省纺织工业应大力实施“品牌战略”。
专业机构强力“后盾”
“经国家质检总局批准,我们获得5000万元投资,在检测中心的基础上,在郑州纺织产业园建设具备棉花、纺纱、织布、印染、服装等完整产业链产品检测能力的最高规格的检测中心。目前,该项目正在施工,明年将建成并投入使用。同时,检测中心还将投资2000多万元,增添一批国际最先进的纺织品检测仪器和设备,使其更具备国际水准的检测能力。”河南省纺织产品质量监督检验测试中心主任陈长海表示,该项目建成后,河南纺织产品检测中心将成为全国技术力量最强、仪器设备最好、检测范围最全的标杆检测机构之一。
河南省纺织产品质量监督检验测试中心成立于1985年,是原纺织工业部按中南五省检测布局成立的区域中心,预算内全供事业单位,编制为45人,隶属河南省质量技术监督局。经过23年的发展,纺织中心的检测手段和人才能力得到不断完善和提高。纺织中心现设办公室、总工办、业务技术科、服装检验科、纺织品检验科、特种防护用品检验科、计量管理科等共7个职能科室和省纺织计量站,有专业技术人员37人。其中:教授4人,高级工程师9人,工程师12人,承担“织物撕裂检定装置的研究”、“新型纤维含量测定分析研究”等4项国家和省级科技攻关项目。通过了CNAS(国家实验室)的认可,现有2500m2的实验室,拥有包括瑞士乌斯特公司的纱疵分级仪,SDL锡来国际集团的标准转筒烘干机,德国贺利氏公司的日晒牢度仪和标准光源箱等先进仪器设备150台(套)。能开展化学纤维、纱线、本色布、色织布、印染布、丝绸、毛织品、针织品、工业用纺织品、家用纺织品、梭织服装、针织服装等133种服装和纺织品质量检验和29项纺织专用计量器具的计量检定工作。目前,经国家质检总局批准的“国家棉花及纺织服装产品质量监督检验中心”也在积极筹建中。
中心将作为河南省纺织工业积极贯彻落实“质量兴省”战略的专业技术支持机构,为河南纺织业整体质量的提升做“后盾”。
设千万级的“省长质量奖”
为了鼓励并引导纺织服装等行业企业改进质量、优化管理、研制先进标准、追求卓越绩效,走质量效益型发展道路,河南省将设立“省长质量奖”,奖励总金额达1000万元。
“我们将设立‘河南省省长质量奖评审委员会’,评委会委员由具有广泛代表性和权威性的知名学者、质量专家、企业管理专家、行业人士和政府有关部门人员组成,评委会主任委员由主管质量工作的副省长担任,评委会秘书处设在省质监局。”河南省质监局局长高德领介绍说。据悉,为了确保省长质量奖的代表性和权威性,评审标准主要依据国家标准《卓越绩效评价准则(GB/T 19580)》。在标准要求下,可按行业类别分别制定评审标准实施细则。同时,还将充分发挥社会和新闻媒体的作用,采取有效方式,广泛征求群众意见,把社会认同度、群众(顾客)满意度作为评奖的主要标准。《河南省省长质量奖管理办法》规定,颁奖后,还将建立定期巡访及动态管理制度――有关部门应及时了解获奖单位的生产经营和质量管理等情况,督促其保持荣誉,不断提升改进绩效。