科学界有一种共同的观点,21世纪是材料科学的世纪,更是新型复合材料的世纪。进入21世纪以来,纳米科技导致的新型复合材料的发展变化引起了发达国家的高度重视,材料科学技术的进步关系到各种行业的发展变化。新型复合材料是国防、{jd0}技术方面不可缺少的材料,而在航空工业、汽车工业中的应用比重更是令人瞩目。
1博云新材(002297)
在现今的新型复合材料中,碳系复合材料如碳/碳、碳/陶、碳纤维复合材料等的发展及应用最令世人关注。
1.1 碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是一种由高强度碳素纤维和碳素基质构成的材料。该复合材料具有出色的机械特性,适用于各种高温用途使用。碳碳复合材料的特点:强度重量比大、出色的耐热性和抗热冲击阻力、较小的热膨胀系数、较低的导热率(为耐热钢的1/3)、与金属相比重量轻,高温下强度不会降低等。由于产品具有高比强度、高比模量、耐高温、耐烧蚀、膨胀系数小、耐急冷急热而不变形不开裂等优良性能,在航空航天、高温热处理、电力、新能源、刹车件等民用领域有广泛的应用。
1958年,世界首次发明了炭/炭复合材料。1971年,中国航天科技集团公司第四研究院第四十三研究所(以下简称航天四十三所)在国内最早开展炭/炭复合材料的研制。如今,后来居上者是博云新材。
1.2碳纤维复合材料
1.3 相关公司
碳/碳复合材料目前国内主要有博云新材(002297)及航天系统的西安超码科技有限公司。
碳纤维类公司主要有中钢吉碳(000928)、恒宝股份(002014)、华皖碳纤维(华源股份600094持股44%,另外华源股份的关联企业持46%)、嘉兴中宝碳纤维(大元股份600146持股67%)以及中国恒天集团的沈阳中恒新材料公司、中国航天科技集团公司第四研究院。此外,南风化工的碳纳米管技术也可关注。
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,其含碳量随种类不同而异,一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性,如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等,但与一般碳素材料不同的是,其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物,沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小,因此有很高的比强度。碳纤维是由含碳量较高,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。
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。
碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能,据预测,土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。我国的碳纤维总体水平还比较低,相当于国外七十年代中、末期水平,与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。
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{zg}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。
1.4 碳/碳复合材料的xxx
博云新材(002297)
公司致力于碳/碳复合材料的民用化应用,开发高密度、中密度、低密度碳/碳复合材料及碳纤维绳。重点为太阳能级单、多晶炉生产领域、冶金高温炉及工业建筑加固应用领域提供性能{zy1}、xxx高、具有显著节能减排效应的高性能产品和全套解决方案。同时公司开发出性能优异的碳纤维布,为体育用品、建筑加固等领域提供优质产品。
碳碳复合材料制成的螺栓,强度在石墨螺栓的10倍以上。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量{zd0}。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料,其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍,还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性,因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料,在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合,不但钛的耐热性提高,且耐磨损,可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合,使用温度可达1500℃,比超合金涡轮叶片的使用温度(1100℃)高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨,构成耐烧蚀材料,已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小,用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧,其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。
碳系复合材料的主要应用领域有:①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好,比强度、比刚度高,可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性,可减振和降低噪声、抗疲劳性能好,损伤后易修理,便于整体成形,故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料,可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性,可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性,生物环境下稳定性好,也用作生物医学材料。此外,复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。本文着重介绍碳/碳复合材料。
1.5国内竞争对手
西安超码科技有限公司多次获得{gjj}和省部级科技进步奖。2004年B757-200型飞机炭刹车盘获得国家1.6 领跑中的高科技创业型骏马
2鼎龙股份300054
3禾盛新材(002290
4鼎泰新材(002352)
5久立特材(002318)
6硅宝科技(300019)
7永太科技002326
8禾欣股份(002343)
9回天胶业(300041)
10钢研高纳(300034)
11三维丝(300056)
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