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專題報告

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三大高性能纖維在民用領域的前沿應用

目前三大高性能纖維分別為碳纖維、芳綸纖維、以及超高分子量聚乙烯纖維。三種纖維及其復材憑借各自優異的性能,目前在國防軍工領域的應用深度、廣度不斷提升。而除了這三種纖維外,包括石英纖維、陶瓷纖維相關的復合材料也有相應的軍工應用場景。

從三大高性能纖維的地位來看,碳纖維、超高分子量聚乙烯纖維的問世,一定程度壓縮了芳綸纖維的應用,但由于纖維性質的差異,三者也均在不同的應用場景有著無可替代的位置,有時甚至還會一起使用。

一、碳纖維
1、eVTOL
三大高性能纖維在民用領域的前沿應用

碳纖維是 eVTOL 主要機身結構材料,滿足輕量化和高強度要求。當前主流eVTOL設計方案均采用碳纖維作為主要機身結構材料,其復合材料使用量上超過90%的復合材料為碳纖維。從復材應用場景來看,約有75-80%用于結構部件和推進系統,其次為橫梁、座椅結構等內部應用占12-14%,電池系統、航空電子設備和其他小型應用占8-12%。國內當前頭部 eVTOL 制造商億航智能、小鵬匯天、峰飛航空等公司公布的設計方案來看,機身結構均采用碳纖維復材,小鵬匯天旅航者X2的旋翼槳葉和起落架也采用碳纖維復材。根據測算,單臺eVTOL對碳纖維需求在100-400kg之間,根據Cirium睿思譽數據,截止23年5月全球eVTOL訂單約為6300架,假設在2030年前全部釋放,有望拉動千噸級需求。

2、體育休閑
三大高性能纖維在民用領域的前沿應用

碳纖維在體育休閑市場中,主要使用于高爾夫球桿、曲棍球棍、網球拍、釣魚竿、自行車架、滑雪板、賽艇等高端體育休閑市場。該塊應用主要基于碳纖維的輕質、高強度、高模量、耐腐蝕等特點。例如碳纖維復合材料制作的高爾夫球桿比金屬桿減重近50%,碳纖維自 行車較鋁材減重40%且實現更高的車架精度。釣魚竿、球拍、滑雪板、高爾夫球桿等體育用品的碳纖維多使用大絲束碳纖維(≥24K)。在亞洲,用于制造運動休閑產品的碳纖維比世界上任何其他地區都多。在亞洲,特別是在中國,碳纖維越來越多地用于制造管狀復合材料物體,如高爾夫俱樂部和網球拍,其他體育用品包括釣魚桿、箭頭、滑雪裝備、賽車、自行車架、球拍、棒球棒和運動墻。

3、樂器
三大高性能纖維在民用領域的前沿應用

傳統木質小提琴一般都需要在恒溫恒濕的條件下保存,并且溫度和濕度不能太高,即使是這樣木質小提琴在空氣中受水分及微生物等的作用會發生破裂及腐蝕,其聲學品質隨時間延長下降嚴重。而碳纖維小提琴就可以避免木質小提琴的這些缺點,主要是由于碳纖維復合材料具有耐高溫、耐腐蝕、防潮、尺寸穩定及抗微生物等特點,假如用碳纖維制作,小提琴音色在較長時間內仍能保持很好的原始特點。共鳴音板是鋼琴的重要部件,起到對琴弦振動聲音的共振、美化與輻射作用傳統的鋼琴實木音板主要有實木音板及三層實木復合音板,前者選材極其苛刻,如對木材所含的天然缺陷數目、木材間的紋理色差、木材的生長輪寬度與變異系數等有極高的要求,且穩定性差;后者降低了選材的要求,尺寸穩定性有所提高,但仍存在出材率低,整塊音板振動均勻性差等缺點。目前,采用碳纖維復合材料的音板具有很好的振動傳導性及力學性能,尺寸穩定性以發音效果穩定,音板各個方向的振動傳播均勻,成本有所降低。

二、芳綸
1、防護
三大高性能纖維在民用領域的前沿應用

個人防護、高溫濾材、蜂窩絕緣需求向好,間位芳綸需求持續拉動。隨著《防護服裝阻燃服》和《個體防護裝備配備規范》等強制性國家標準的發布和實施,產業工裝對間位芳綸的需求將大幅增加。據中國產業用紡織品協會會長李陵申介紹,目前國內個人防護領域除消防服與國際接軌、采用芳綸面料外,其它行業的安全防護服裝基本上還是采用棉布或滌綸布阻燃處理面料為主,普遍存在洗滌后阻燃性能快速下降、使用壽命短、耐溫低、舒適性差等缺陷。

2、鋰電涂覆
三大高性能纖維在民用領域的前沿應用

芳綸用于鋰電涂覆提升鋰電池關鍵性能,間位芳綸需求空間打開。鋰電池涂覆為在鋰電池電芯隔膜或極片進行涂覆的工藝方式,可以提高鋰電池電芯隔膜的耐熱性和抗刺穿能力,并降低涂覆隔膜的含水率,有助于改善鋰電池的倍率性能和循環性能,提升電芯的良品率,并提高鋰電池的安全性能。在涂覆領域,氧化鋁(陶瓷/勃姆石) 涂覆、PVDF涂覆、氧化鋁與PVDF混合涂覆等技術已經廣泛應用。為了進一步提升隔膜性能,近來,LG等率先使用芳綸替代勃姆石進行鋰電池涂覆,預計國內企業也將陸續對該新技術進行布局。

三、超高分子量聚乙烯
三大高性能纖維在民用領域的前沿應用

輕質、強韌、耐用且可回收的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)織物使得 Arc’teryx 和 Durston 運動品牌的裝備性能更高。這種材料已在惡劣的海洋條件下進行了實地測試,也已用于風箏沖浪和其他風力運動,如飛翼沖浪。特別是Aluula Composites的 Graflyte材料,不需要縫合。它也可以熱合到自身,這可以用于用單片織物創建3D結構。此外,該材料能夠被回收,并且理論上可用于背包懸掛系統或其他行業的應用。

四、芳綸/碳纖維混編織物
三大高性能纖維在民用領域的前沿應用

由于每種纖維都有其固有的特性,依賴單一類型的纖維很難滿足摩擦復合材料增強組分的全部要求。因此,結合多種纖維材料以提升復合材料的性能被證明是一種有效的策略。這種方法通過結合兩種或多種纖維的優點,開發出了雙組分或多組分纖維增強的復合材料。特別是,碳纖維和芳綸作為摩擦材料中常用的增強纖維,它們不僅共享優異的力學性能,還各自擁有獨特的屬性。例如,碳纖維以其高導熱性和耐腐蝕性著稱,而芳綸則以其比碳纖維更加堅韌且不易碎的特性突出。將這兩種纖維結合應用于樹脂基摩擦材料中,可以充分利用這兩種材料的優勢。


此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯,部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。


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