盤點杭州亞運會上的復合材料
日期：2023-09-26
來源：Carbontech
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9月8日至9月20日，亞運會火炬在浙江省內(nèi)11個地級市依次傳遞。火炬高730毫米，凈重1200克，設計思想源自中華五千年文明史的良渚文化，名為“薪火”，寓意傳承。火炬整體使用可回收金屬和碳纖維材料，內(nèi)部燃料為丙烷，燃燒安全無污染。
“薪火”（圖片來源：新華社）
泰山體育、金陵體育、飛鷹船艇等國內(nèi)體育企業(yè)均為亞運會賽事提供運動器材及服務保障，材料端的創(chuàng)新應用發(fā)展迅速。本次提供的競賽自行車充分融合了人體工學和空氣動力學，實現(xiàn)了空氣動力學效能的關鍵技術性突破，整體車架采用高模量碳纖維，使車架整體強度得到了大幅提升。
泰山體育將全球首創(chuàng)且通過國際認證的全新升級碳纖維復合材料應用到體操器材上，賦予體操器材更高的強度、輕便性和安全性，在提升器械質(zhì)量的同時有效提高運動員比賽成績。本屆亞運會水球比賽的泳池由四方游泳提供，首次實現(xiàn)國際賽事裝配式泳池“進口替代”。該產(chǎn)品是四方游泳潛心研發(fā)的第五代裝配式泳池，使用完后還能被拆卸搬走。與傳統(tǒng)泳池相比，該泳池未使用泳池膠膜、鋼筋混凝土、泳池專用瓷磚等材料，而是采用由企業(yè)自主研發(fā)的新型復合材料。此外，泳池尺寸可以自由調(diào)節(jié)，安裝既環(huán)保又方便，使用壽命更是長達50年。該泳池還實現(xiàn)了逆流式循環(huán)，能有效做到被凈化水與未被凈化水之間的替換更新，讓泳池更舒適、安全、衛(wèi)生。
中國中車為杭州亞運會打造的復興號亞運智能動車組采用碳纖維司機臺，其主體框架和承載部件由新一代高強度復合材料碳纖維制成，經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理后，使司機臺在保證強度和剛度的前提下減重30%。在工藝方面，碳纖維司機臺表面外覆高硬度耐磨亞光透明漆，有效防止了纖維外露、紋理易劃傷等問題。通過使用新型環(huán)保樹脂、水性膠粘劑和水性涂料，大幅改善碳纖維的成型技術，也使產(chǎn)品更加綠色環(huán)保。
碳纖維素有“黑色黃金”之稱，性能優(yōu)勢明顯，種類繁多，被廣泛應用于風電、空天、汽車、建筑等領域。隨著國產(chǎn)化加速，碳纖維的價格有望進一步下降，應用市場將繼續(xù)擴展。以下列舉了碳纖維的優(yōu)異性能：1、輕量化：碳纖維的密度為1.5-2.0 g / cm3，僅為鋼的1/4，鋁合金的1/2。2、高強高模：碳纖維抗拉強度通常超過3500 MPa，比強度為鋼的10倍以上；彈性模量為230-340 GPa，遠高于鋼材。3、耐高低溫性能：在惰性氣氛下，碳纖維的使用溫度可以達到2000 ℃；在-180 ℃的超低溫仍具有較好的彈性。4、低線膨脹系數(shù)、高導熱性：碳纖維的熱膨脹系數(shù)表現(xiàn)出各項異性，平行于纖維方向呈負值，垂直于纖維為正值，總體低于鋼質(zhì)材；碳纖維的比熱容約為0.71 KJ / (kg·K)，其導熱系數(shù)處在1.5-6.0 W / (m·K)范圍，驟冷或驟降基本不出現(xiàn)裂紋。5、耐腐蝕性：具有良好的耐化學穩(wěn)定性，耐酸、耐堿、耐油，除了強氧化劑外，基本表現(xiàn)為惰性。6、導電性能良好：室溫下，高模量碳纖維的電阻率為7.75×10-2 Ω·m，高強度碳纖維為1.5×10-1 Ω·m。在風電領域，碳纖維主要用于風電葉片和葉梁的制造，其與玻璃纖維相比，強度更高而質(zhì)量卻更輕，因此碳纖維在風電領域的滲透率快速增長。在光伏領域，碳纖維材料用于太陽能板邊框與支撐板的制造。在熱場系統(tǒng)中，晶硅生長設備所用材料也有碳纖維的身影。在航空領域，碳纖維復合材料可應用于飛機中的主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)，使飛機整體重量減輕20%至40%，大幅提高其續(xù)航能力、降低燃油成本。在航天領域，碳纖維復合材料因具有高強度、耐高溫、耐腐蝕等特性，廣泛應用于人造衛(wèi)星天線和衛(wèi)星支架的制造，還用于固體火箭發(fā)動機殼體和噴管等的制造。政策驅(qū)動下，壓力容器呈噴井式發(fā)展狀態(tài)，纏繞用碳纖維的需求高速增長。目前，壓力容器主要用于天然氣和氫氣儲罐、高壓儲氣罐、壓縮天然氣燃料罐等領域。國內(nèi)，針對車載儲氫瓶的研發(fā)主要集中在70 MPa IV型瓶的工藝研究上。碳纖維在汽車中的滲透率增加，中高端汽車輕量化市場不斷擴大。碳纖維質(zhì)量強、強度高，可減少排放和燃料消耗，提高汽車的安全性和舒適度，提升汽車行駛效率。目前，汽車用碳纖維制品主要包括車身、內(nèi)飾、制動器、輪轂等。碳纖維在船舶中的應用相對較少，基本集中在高端競技類船舶，在帆船賽艇中，桅桿、帆布、船身、上層結(jié)構(gòu)、傳動軸以及螺旋槳等結(jié)構(gòu)件均由碳纖維制成。體育休閑是碳纖維的傳統(tǒng)應用領域，如球拍、滑雪板、雪橇、曲棍球棍、釣竿、高爾夫球桿、自行車、沖浪板、風箏、鞋子以及其它體育產(chǎn)品均由碳纖維制造而成。2022年，折疊屏手機因其新穎性魅力，實現(xiàn)了銷量逆勢增長。折疊屏手機對機身的設計性、便攜式、輕量化、強度等提出了更高的要求，碳纖維在該領域大顯身手。碳纖維復合材料在各種工業(yè)機械部件中的應用十分搶眼，如造紙輥筒采用碳纖維復合材料后，不僅大幅減輕重量，而且增加了剛度。在自動化生產(chǎn)過程中所用的機器人機械臂，也大量采用了碳纖維復合材料。碳纖維具有良好的X光穿透性，且無磁鐵性，可用于制造成像設備，如MRI核磁共振成像儀、CT掃描儀和X光機等。此外，碳纖維在手術器械、假肢、輪椅、醫(yī)療植入物等方面具備應用價值。（文章來源：Carbontech，部分信息來源：澎湃新聞、騰飛高分子、新華社、中國青年網(wǎng)、中國復合材料工業(yè)協(xié)會）
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