碳纤维,能做鱼竿也能造飞机?
来源:科普中国
发布时间:2024-05-31
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今天,对于普通人而言,碳纤维已经是相当熟悉的材料了,尤其是在体育运动领域:碳纤维能够做成钓鱼竿、羽毛球拍、自行车架、跑鞋的底板……在很多领域,碳纤维都能替代钢铁发挥作用,体现出强大的新材料优势。

而在普通人不熟悉的军用领域,碳纤维也有不少应用,比如,据说伊朗生产的“雷霆”系列战术导弹的外壳,就已经用碳纤维复合材料代替了金属,从而减轻导弹自重,增加射程。

图源:Pixabay

在碳纤维的生产和应用方面,我国的发展也相当迅速,尤其是在工业领域上。坊间还有个段子,说某钓鱼竿厂家因为买不到碳纤维材料而被迫自研,最后意外用在了其他更重要的领域上。这到底是不是真的呢?

来,我们展开说一说。


01 碳纤维,为什么优秀?

碳纤维,准确地说,应该叫做碳纤维复合材料(CFRP),通常是以碳纤维或碳纳米管为骨架,衬以热固性塑料(比如,聚酯树脂甚至是造防弹衣的“凯夫拉”材料),再对两者加热、加压,使其紧密结合而成的。当然,就简称为“碳纤维”也没问题。

这类材料最大的特点,就是其强度和重量的比值极大:同等体积的碳纤维,重量只有钢铁的四分之一左右,其抗拉强度却是钢铁的几倍、十几倍。同时,碳纤维的化学性质很稳定,不会氧化生锈,也不怕高盐、潮湿、酸性的使用环境,不需要刷漆防锈,大大降低了零件、设备的维护成本。

此外,作为非金属材料,碳纤维材料的膨胀系数比钢铁小得多。这对于使用时温度变化较大(比如,需要高温加热或低温冷冻)的器件而言,就省去了考虑热胀冷缩给结构带来的影响问题。

这些优点,都让它成为工业材料的新宠。尤其是在对重量“斤斤计较”,对强度要求又很高的航空、航天领域,碳纤维有着宽广的应用前景。


02 缺点也有

然而,世间没有完美的材料,碳纤维也不例外。它最大的两个缺点,第一是贵,第二是裂得太干脆。

第一点很好理解:碳纤维的加工,涉及复杂的工艺,产能长期受限,其价格一直居高不下。而我国的钢铁产能,在世界上都是一骑绝尘的,所以钢铁的价格相当低廉(比如,螺纹钢的价格长期徘徊在4000元/吨附近,单价大致和白糖、辣椒差不多)。相比之下,碳纤维在价格上就完全没有竞争力了。

第二点,则是在碳纤维的应用中产生的固有缺点。钢铁很容易铸造、轧制为各种形状的板材、管材和线材,而碳纤维的成型相对就要复杂得多。多数时候,会将碳纤维纺织成“布”,再去压制成形,或是紧紧包裹在钢结构的外面,增加钢的强度。

然而,这种碳纤维织成的“布”一旦出现裂纹,很容易像其他布料一样,顺着纤维撕开,强度几乎归零。更麻烦的是,碳纤维的结构破坏,很可能没有先兆,而是在瞬间就发生了。

去年失事的“泰坦”深潜器,在深海里突然崩塌、内爆,就被怀疑是碳纤维的壳体出了问题。相比之下,钢结构的破坏,往往会有局部变形、开裂、异响等征兆,提醒使用者注意处置,相对安全一些。

当然,碳纤维复合材料,是一个年轻的领域,随着科学技术的发展,或许在不远的将来,能够找到克服这些缺点的方法,让它变得更加强大,在更广阔的领域发挥作用。


03 我们能造吗?

回到最开始的问题上,我国的碳纤维制造技术,真的是鱼竿厂老板研究出来的吗?

答案显然是否定的:那就是个段子嘛!

我国制造碳纤维的历程,最早是由师昌绪院士于2001年开启的。2005年,随着碳纤维的国际供应骤然收紧,国家加大了对研究的投入力度。从目前公开的报道来看,中国科学院山西煤炭化学研究所、中国科学院上海有机所、中国科学院长春应用化学研究所,分别承担了碳纤维制造的部分关键技术的研究任务。

经过坚持不懈的努力,我们用短短三年时间,走完了美国、日本十多年才完成的道路,最终在扬州的工厂里,实现了T300碳纤维的规模化生产,为我国的航天事业作出了重要的贡献。

可以说,碳纤维的研究攻关,涉及了多个领域,联合了多个单位,凝聚了许许多多的科研、技术和工程人员的心血,正是“集中力量办大事”的生动实践。

相信在不远的将来,碳纤维也会被中国的科研人员变成物美价廉的材料。把“工业皇冠上的明珠”变成白菜价,正是我们最擅长的事嘛!

供稿单位:重庆科技馆

作者:馒头老妖,科普作家,南京大学化学博士。

审核专家:黄河、李春藜、徐晓萍


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