碳纤维复合材料cfrp的研究

碳纤维复合材料cfrp的研究

0碳纤维复合材料在温室气体排放中的应用2009年11月26日，中国政府宣布了控制温室气体排放的目标。到2020年，单位总增加值（gdp）的二氧化碳排放量比2005年减少了40%45%。同时各国在哥本哈根气候对话会议前夕提出,到2020年,相比1990年的水平,欧盟将减排20%,日本和俄罗斯将减排25%。而美国公布的2020年温室气体排放量是在2005年的基础上减少17%,只相当于1990年的4%。温室气体排放与能耗密切相关,70%的二氧化碳排放都来自能源消耗。近年来,我国对可再生能源、新能源等低碳能源的发展非常重视,据国家发改委统计,2008年中国可再生能源利用量达到2.5亿t标准煤,约占一次能源消费总量的9%,按照上述规模和速度推算到2020年,我国非化石能源占一次能源消费的比例可达到15%左右。碳纤维复合材料具有轻质、高强度、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料,在如导弹、运载火箭、卫星、军机等航天航空,以及如大型飞机、风力发电叶片、石油开采、核电、汽车等民用领域中发挥着不可替代的作用。如果认为先进复合材料在航空航天领域的应用水平和规模关系着国家安全的战略层面,那么为了解决全球气候变暖、温室气体排放的环境问题,碳纤维复合材料在大型飞机、风力发电叶片、汽车部件、石油开采抽油杆、电力输送电缆等领域的应用将增长迅速。随着国产化碳纤维制造关键技术的突破,中国目前在投和计划投资的碳纤维产能超过了60000t/年。本文就如何结合节能减排的国家目标,突破碳纤维复合材料的低成本制造与应用技术,实现碳纤维复合材料在节能减排领域的实际应用,从大型飞机、汽车、风电叶片、电力输送等领域的应用进展进行了介绍。1碳纤维复合材料将成为空间基础在飞机上大量应用碳纤维环氧复合材料能够减轻质量、节省燃油、降低排放,从而增大航程。波音787中结构材料有近50%使用碳纤维复合材料,包括主机翼和机身。采用碳纤维复合材料替代金属结构材料后不仅可以减轻机身质量,而且还可以保证不损失强度或刚度,大大提高了燃油经济性,能够比它的上一代机型(金属材质的B767)降低17%的油耗。另外,采用碳纤维复合材料可以制成更坚固的压力舱,使得B787机舱内的压力保持在1828.8m(6000英尺)高度时的气压,而不是通常的2133.6～2743.2m(7000～9000英尺),机舱内湿度可以恒定在10%～15%(而金属机身内只能保持在5%～10%),乘客会感觉更加舒适。在20世纪70年代的空客A300机身上,复合材料质量只占整架飞机的5%,同样20世纪90年代量产的B777上复合材料的质量也只占到20%,尤其是B777水平尾翼就是大型的复合材料构件。虽然使用了35t(占A380飞机结构材料中的23%)碳纤维复合材料,但中央翼盒、机尾组件以及压舱壁等一次结构件均采用碳纤维复合材料;预计将于2010年问世的A350超宽客机,其使用的碳纤维复合材料达62%,将成为空客公司第一架全复合材料机翼飞机。从节能效果看,以A380为例,其首架飞机每位乘客的百km能耗不到3L,比竞争机型的能耗低12%;而A350的百km能耗预计只有2.5L/人,几乎可以与现在的迷你小汽车媲美。东京大学、神户大学、波音公司、全日空合作的研究报告显示,与中型客机(波音767)相比,波音787使用50%碳纤维复合材料时在全日空10年飞行周期内可航行2000次/年。以日本国内航线(500英里)计算,每一架飞机在全生命周期内的减排效果如下:飞机的原材料采用碳纤维复合材料时制造过程中增加200tCO2排放(未使用时为700t);使用碳纤维复合材料在组装制造过程中排放量为3000t(未使用时为3800t),减排800t;而在10年飞行周期内,采用碳纤维复合材料排放CO2为368000t(未使用时为395000t),折合总量减排为27000t/10年,合计2700t/年,再折合使用1t碳纤维的C02排放量为140t/年。由此可见,采用碳纤维复合材料将显著降低CO2的排放。据《空客全球市场预测》估计,2006-2025年间,飞机运营商将需要22700架客机和货机。这些需求正引领着碳纤维结构性复合材料用量的巨大增长,未来几年航空中碳纤维复合材料的使用量将以年均12%的速度继续增长,估计将从2007年的6820t增加至2010年的10000t以上,2012年可达13000t,由此可以设想,大量使用碳纤维复合材料后对于节能减排贡献巨大。2风力发电材料在叶片的应用风能是一种清洁可再生能源,取之不尽,用之不竭。按80m高度处风速为6.9m/s计算得出全球风能可利用资源量为7.2PW(1PW=1000GW)。预计2015年全球用电量将达到2.2PW,到2030年将达到3.0PW。如果全球风力发电技术和规模能达到利用10%的风能资源的水平,那就足以承载全球1/4的电力需求量。中国风能资源总储量约32.3亿kW,可开发和利用的陆地风能储量有2.53亿kW。按照规划到2010年,每年新增机组约800MW,相当于533台1.5MW机组;到2020年,每年新增机组1933MW,相当于1667台1.5MW机组,到2020年中国市场将需要超过2.5万台的大容量风机。风力发电装备的关键部件叶片,现多使用玻璃纤维增强材料(GFRP)制造,难于满足叶片尺寸加大对刚性的要求。CFRP材料在叶片上的应用无疑将促进风能发电产业的发展。研究表明叶片质量W随叶片长度L的三次方增加,即W=AL。当风机叶片质量增加到一定程度时,叶片质量的增加幅度将大于风机能量输出的增加,这就需要使叶片尽可能地轻量化。在兆瓦级风电机组中,如1MW的叶片长31m,每片约4.5t;1.5MW主力机型叶片长34～37m,每片约6t。目前国内商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5～2.0MW,与之配套的复合材料叶片长度为32～40m,质量为6.8t;5MW的风力发电机的叶片长61.5m,单片叶片的质量接近18t,旋转直径可达126.3m。当风力发电机叶片长度增加时,对其刚度也有一定的要求,为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架,叶片必须具有足够的刚度。既要减轻叶片的质量,又要满足强度与刚度要求,有效的办法就是采用碳纤维增强复合材料。风力发电机超过3MW、叶片长度超过40m时,在叶片制造时采用碳纤维已成为必要的选择(不一定全是碳纤维,主要受力部分可能是碳纤维的复合材料)。事实上,当叶片超过一定尺寸后,CFRP叶片反而比GFRP叶片便宜,因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。另外,利用碳纤维的导电性能,通过特殊的结构设计,可有效避免雷击对叶片造成的损伤。就GFRP叶片的模量和强度来说,目前的临界长度大约是60m,而CFRP的比强度约是GFRP的2倍,CFRP的比模量约是GFRP的3倍。由于CFRP轻而刚又强,决定了采用CFRP叶片能够增加叶片的临界长度。LM公司开发61.5m大型复合材料叶片时,为了保证叶片能够安全承担风力、温度等外界载荷,采用了玻纤/碳纤维混杂复合材料结构,在横梁和翼缘等要求较高的部位使用碳纤维作为增强材料,单片叶片质量达15t。CFRP材料在叶片上的应用无疑将促进风能发电产业的发展。丹麦风机生产商维斯塔斯(Vestas)公司在风机叶片的载荷加强杆中使用碳纤维,目前为止已经安装了近3.4万套风机系统。西班牙Gamesa公司宣称2008年1月在全球已收到超过8000MW的风力发电机订单,其中3000MW已经安装完毕。风电叶片应用将推动大丝束(24K以上)碳纤维产量的增长。若1kW风机每片叶片以6t计,需要纤维4t,如果碳纤维占10%,则每片叶片的碳纤维用量为0.4t,每座风机为1.2t,到2020年中国市场将需要超过2.5万台的大容量风机,合计年需求碳纤维30000t。碳纤维在风机叶片中的应用将成为继航空航天后的另一大应用领域,欧洲和亚洲在这一领域远远领先于美国。全球风机装机容量的增长速度正在加快,由增加碳纤维复合材料用量的长叶片制成大容量风机将成为主要趋势。3碳纤维复合材料在燃油汽车上的应用国际上对于汽车的CO2排放政策是:欧洲在2010年度的指标是140g-CO2/km,2015年要求下降到120g-CO2/km;日本2010年度的指标是170g-CO2/km,2015年则要求下降到135g-CO2/km。为了进一步加大节能减排力度,2009年5月19日奥巴马在白宫宣布了限制汽车温室气体排放和耗油的新法规,要求在2016年新车平均燃油经济性(CAFE)达到35.5英里/加仑,即在2007年水平的基础上提高42%。汽车工业为了应对国际上对于汽车CO2的排放政策,必须提高燃油效率、降低汽车自身质量以及同时保证在安全与乘用舒适等方面研发革新技术。如日本丰田(TOYOTA)力争在2011年实现中小轿车轻量化10%,尼桑轿车在2015年实现轻量化15%,三菱2010年在概念车上实现30%轻量化。轻量化材料在新能源汽车和现有燃油汽车领域的应用都可降低油耗和减少排放,是国外汽车材料发展的重点。碳纤维复合材料在汽车上的应用方面,美国福特公司早已采用制造汽车传动轴、发动机罩、上下悬架臂等零部件,主要应用在结构件和受力件上。SMC的碳纤维复合材料首先成功批量应用于2003款的DodgeViper车型和MercedesMaybach车型的系列化生产中。据报道,梅赛德斯-奔驰推出的SLR迈凯伦超级跑车使用了高性能碳纤维复合材料,时速可达334km/h,0～100km的加速时间仅为3.8s。这款车能够具有如此超高的时速,除了采用强悍的动力系统和借鉴F1赛车设计理念外,其车身几乎全部采用碳纤维复合材料制成,在碰撞中对能量的吸收能力比钢材或铝材高出4～5倍。宝马公司开发和试验高强、轻量碳纤维复合材料车体板和其他部件时采用碳纤维是Zoltok公司生产的大丝束产品,如BMW3系列Touring和X5的后扰流板,BMWZ4硬顶、后保险杆支架等。GKN公司在1988年开始研究碳纤维复合材料传动轴,给出了大量相关的专利文献报道。以碳纤维汽车传动轴为例,采用钢铁材料的传动轴一般为15kg,铝合金材料为12kg,而采用碳纤维复合材料传动轴则可下降为7.8kg。传动轴在RenaultEspaceQuadra上的使用开创了碳纤维复合材料汽车传动轴的先驱。Audi80/90Quattro在1989年首次使用碳纤维传动轴,并且使用车型一直延续到了1998年的AudiA4/A8Quattro,此种型号的传动轴年产已达30000套。日本东丽公司在2008年度发布的碳纤维发展战略报告中统计表明:2007年度在尼桑GTR车型上使用碳纤维传动轴5000只;阿斯顿·马丁V8VantageCoupe车型上使用1万只;MazdaRX-8型车上使用了13万只;尼桑Fairladyz2002型上使用了25万只,最大的应用量在MMCPajero上,使用了50万只,总计达到了90万只。现在,制约碳纤维复合材料在汽车工业使用的最大障碍是碳纤维的成本,如果碳纤维原材料的价格下降到15～20美元/kg的水平,采用碳纤维复合材料可使大众型轿车从1340kg轻量化为970kg,从轿车等级来讲,全球现在小汽车的销量为6400万辆,顶级轿车为4万辆,按照每辆使用100kg碳纤维计,将消耗碳纤维0.4万t;豪华轿车50万辆,将消耗5万t碳纤维;而大众型轿车6000万辆,将消耗600万t碳纤维,2008年度世界碳纤维的消耗量才3.5万t左右,因此,碳纤维在汽车上的应用也像碳纤维在大飞机(A380,B787)上一样成功的话,将带动碳纤维产业的飞速发展。4碳纤维连续抽油杆现场应用效果有杆泵采油是当前国内外应用最广泛的机械采油技术。目前世界上机械采油井数已超过总生产井数的90%以上,80%左右的机械采油井都采用有杆泵抽油模式。我国共有油井8万多口,其中95%是用机械采油方式进行原油开采,约2万口是属于采油成本高和难的腐蚀性油井、深井和超深井,其抽油杆就成为了国内石油开采的关键新材料。由于井深和钢质抽油杆的自身质量等因素的影响,使机械采油效率大大降低,因抽油杆自身不足而造成的事故次数占抽油井事故的60%～70%。传统金属抽油杆由于自身质量大、易腐蚀、疲劳性能较差等缺点,已成为制约这种采油方式发展和壮大的“瓶颈”。碳纤维连续抽油杆具有轻质、高强、耐高温、耐腐蚀、耐磨损及结构功能一体化的特点,使采油效率大为提高,事故发生率也比用传统抽油杆大为减少。碳纤维抽油杆用于有杆泵系统采油的应用研究起源于美国。美国利用其独特的航空航天技术和材料技术,于20世纪90年代初成功研制出碳纤维杆、专用的油井作业设备和碳纤维抽油杆-钢抽油杆的混合抽油杆柱设计软件,并进行了矿场试验。1991年5月至1995年11月美国在33口抽油井中使用了碳纤维杆,平均泵挂深度为1444m,平均泵径为50.5mm,7口井的平均冲数为10.5min-,平均地面冲程为3.94m,碳纤维杆的长度占整个抽油杆柱长度的平均比例为56.8%,井液平均含水88.8%,平均日产液91.7t。其中有一口井正常运行了4年,另一口含H2S的井正常运行了3年,还有几口井也连续运行了3年多。这33口井在4年半的矿场试验中共作业45井次,最主要的失效形式是钢接头疲劳断裂和碳纤维杆端部连接部位失效,其次是由于碳纤维杆受压应力引起失效。试验结果表明,碳纤维杆是一种很有发展前途的特种抽油杆。在2000年前后,北京化工大学、山东大学和胜利油田等开展了碳纤维连续抽油杆的制造技术和工程应用技术研发,研制了具有自主知识产权的拉挤成型碳纤维复合材料抽油杆,分别为耐温90℃、120℃和150℃的碳纤维连续抽油杆;建造了多条碳纤维拉挤生产线;进行了碳纤维连续抽油杆和金属接头的电化学腐蚀等服役行为及其可靠性研究;进行了碳纤维连续抽油杆采油系统的关键技术和理论研究;建立了碳纤维连续抽油杆应用的杆柱设计和故障诊断的计算机软件;实施了碳纤维连续抽油杆应用的关键配套装备,如碳纤维连续抽油杆的专用下井作业车、碳纤维杆专用超长冲程抽油机、专用超长冲程抽油泵、碳纤维杆采油工艺配套辅助设备与工具开发;建立了以碳纤维连续抽油杆为核心的新型采油装备及系统。从2001年6月第一口油井矿场试验开始,碳纤维抽油杆已在胜利油田的胜利采油厂、东幸采油厂、河口采油厂、纯梁采油厂、孤岛采油厂等5家采油厂进行了前后4年、总共50口油井(井次)的碳纤维连续抽油杆的现场应用试验结果统计表明,碳纤维连续抽油杆和钢制抽油杆相比,具有耐疲劳、节能、耐腐蚀、作业速度快、增加产液量等多项优点;经统计,平均节能50%以上;到目前为止,还没有一口井因腐蚀或疲劳断裂失效。碳纤维连续抽油杆的单井产液量平均提高4～8t/d,泵效平均提高约24%,另外光杆悬点载荷降低了45%以上,电流降低了50%以上。在提高抽油效率、减少抽油杆偏磨、降低结蜡等方面具有明显的效果,最长的抽油杆已连续使用了3年多,最大下井深度已达到2800m。目前,我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力,多为低渗透的低能、低产油田,大部分油田要靠注水压油入井,再用抽油机把油从地层中提升上来。以水换油或者以电换油是我国油田的现实,因而,电费在我国石油开采成本中占了相当大的比例,节能具有现实意义。我国油藏开发的类型日趋复杂、地域更为广阔,油井遍布陆上、海域,伴随着深层油藏的开发,涌现出大量深井、超深井。据统计,我国各大油田,如胜利油田、中原油田井深在2500m以上的油井约占总井数的10%,特别是新近开放的新疆塔里木油田、大庆海拉尔油田,井深都在2500～3000m;井矿环境除水、盐外,还出现了CO2、HCl和H2S等腐蚀性气体。全国油田的抽油杆年需求量约在2600万m。按照20%使用碳纤维抽油杆的预期用量计算,预计可使用碳纤维抽油杆560万m,按照每米150g碳纤维拉挤复合材料计算,需要消耗碳纤维600t/年。目前,我国抽油机的保有量在10万台以上,电动机装机总容量为3500MW,每年耗电量逾百亿kW·h。按照使用碳纤维抽油杆平均节能50%以上,以20%油井采用碳纤维抽油杆计算,每年可以节能10亿kW·h。5面为硬脆材料的大厚度导电线路电力是国家能源的重中之重,我国电力工业每年以13%的速度发展,使许多输送线路呈现过负荷现象,输电电网已成为输电的瓶颈问题,而新建电网又受到土地供应和线路走廊工程造价高等诸多因素限制。国内电网建设每年需要的架空导线约80万km以上,加上现有输电线路的改造,也要40万km左右。目前国内110kV以上的输电线路均为裸导线,导体为钢芯铝绞线、铝合金绞线、铝包钢绞线。提高导线运行温度是在不增加导线截面积情况下有效提高输电能力的一种方法。有关研究表明,400/50钢芯铝绞线使用温度为70℃时,载流为583A,升高至80℃后,载流可达835A,可节约10%～25%线材,综合造价可节省10%左右。国外CTC(Compositetechnologycorporation)公司研究表明,导线温度升高到140℃左右,同样外径的电线截流量可以提高1倍以上。然而,架空导线的载流量受导线载流发热后的机械强度损失制约。国内外的研究表明,导线超过一定温度长时间运行后,其弹性变形将转变成永久变形,使机械强度损失无法在线温恢复至常温后得以同步恢复。若设计载流量太高,就会引起导线温度较高而使机械强度损失超过允许量值,造成导线弧垂增大、舞动半径变大、抗振能力下降从而缩短线路使用寿命和降低运行的安全性。如允许温度从70℃升高到80℃,相应弧垂的差额为1～3m,这样的弧垂差额仅会影响部分杆塔,不会引起普遍加高杆塔的后果,但若要继续升高运行温度,由于弧垂增大和钢芯的蠕变引起永久变形,将严重影响现有杆塔基础和架线规程。如果更大幅度地升高导线的工作温度,必须相应解决3个问题:提高高温下线芯强度、减小高温下导线弧垂和高温下铝导体的电阻。日本于20世纪90年代后期相继开发出碳纤维芯铝绞线(ACFR)和耐热型的耐热碳纤维芯耐热铝合金绞线(TAC-FR)。从2000年开始,作为现场试验,日本在气象条件较为严酷的青森县下北郡横滨町架设了应用ACFR160mm和TACFR160mm导线的试验线路,对自然环境下的张力变动、覆雪状况及金具的适应性等做了约4年的验证试验。现场试验中未观察到异常的覆冰、振动和过大的蠕变伸长。试验结束后的特性调查结果也未发现导线性能的劣化。美国3M公司于2001年开发出铝基陶瓷纤维芯铝绞线(ACCR),2001年以来,铝基陶瓷纤维芯铝绞线ACCR已在若干不同电压等级的输电线路上试运行或实际应用。2003年美国CTC公司开发了复合材料芯线铝导线(AC-CC),其技术关键是采用纤维增强的树脂基复合材料作为低膨胀、高强耐热线芯代替传统的钢芯,线芯是由以碳纤维复合材料为中心的玻璃纤维复合材料包覆制成,外层铝导体则采用梯形截面铝代替传统圆截面铝线绞合而成。这种复合材料电缆具有以下特点:载流量是ACSR(钢芯铝绞线)的2倍,同样外径的导线包含更多Al,消除了弧垂造成的不良后果,可在200℃下使用,实现大跨度架线,减少了20%甚至更多的塔架。2004年10月CTC第一条长约3.2km的ACCC线路在德克萨斯州安装完成,此后,CTC公司的ACCC导线先后在美国的霍兰(美国密西根州西南部一城市)、德克萨斯州金曼市安装了试验线路,并与美国最大的大众导线公司签定了生产和销售协议。据了解,近期美国将有10多条改造或新建线路计划使用CTC公司生产的ACCC导线,其中有若干条230kV的线路。2005年江苏远东电缆有限公司成立了远东复合技术有限公司,引进美国CTC公司技术合作生产ACCC导线,其关键部分碳纤维复合材料加强芯全部从美国CTC公司进口。目前其产品已在福建、辽宁、江苏、天津等多个省、直辖市的50余条线路电网挂网送电,运行良好;由于采用国外碳纤维复合材料加强芯,造价是我国普通导线的5倍,已成为大量应用的瓶颈。碳纤维复合导线在输电领域的应用被认为是电力工业基础设施建设的一次革命,它具有质轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、线损低、弛度低、绝缘性好等优点,可以减小新建线路土地占用面积,节约运输、安装与维护费用,减少工程造价,节能、增容、改善环境等,具有重大的经济和社会效益以及广阔