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(fù)材憑借各自優(yōu)異的性能,目前在國(guó)防軍工領(lǐng)域的應(yīng)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(guān)的復(fù)合材料也有相應(yīng)的軍工應(yīng)用場(chǎng)景。
從三大高性能纖維的地位來(lái)看,碳纖維、超高分子量聚乙烯纖維的問(wèn)世,一定程度壓縮了芳綸纖維的應(yīng)用,但由于纖維性質(zhì)的差異,三者也均在不同的應(yīng)用場(chǎng)景有著無(wú)可替代的位置,有時(shí)甚至還會(huì)一起使用。

碳纖維是 eVTOL 主要機(jī)身結(jié)構(gòu)材料,滿足輕量化和高強(qiáng)度要求。當(dāng)前主流eVTOL設(shè)計(jì)方案均采用碳纖維作為主要機(jī)身結(jié)構(gòu)材料,其復(fù)合材料使用量上超過(guò)90%的復(fù)合材料為碳纖維。從復(fù)材應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看,約有75-80%用于結(jié)構(gòu)部件和推進(jìn)系統(tǒng),其次為橫梁、座椅結(jié)構(gòu)等內(nèi)部應(yīng)用占12-14%,電池系統(tǒng)、航空電子設(shè)備和其他小型應(yīng)用占8-12%。國(guó)內(nèi)當(dāng)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(shè)計(jì)方案來(lái)看,機(jī)身結(jié)構(gòu)均采用碳纖維復(fù)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(fù)材。根據(jù)測(cè)算,單臺(tái)eVTOL對(duì)碳纖維需求在100-400kg之間,根據(jù)Cirium睿思譽(yù)數(shù)據(jù),截止23年5月全球eVTOL訂單約為6300架,假設(shè)在2030年前全部釋放,有望拉動(dòng)千噸級(jí)需求。

碳纖維在體育休閑市場(chǎng)中,主要使用于高爾夫球桿、曲棍球棍、網(wǎng)球拍、釣魚(yú)竿、自行車(chē)架、滑雪板、賽艇等高端體育休閑市場(chǎng)。該塊應(yīng)用主要基于碳纖維的輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕等特點(diǎn)。例如碳纖維復(fù)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(chē)較鋁材減重40%且實(shí)現(xiàn)更高的車(chē)架精度。釣魚(yú)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(yùn)動(dòng)休閑產(chǎn)品的碳纖維比世界上任何其他地區(qū)都多。在亞洲,特別是在中國(guó),碳纖維越來(lái)越多地用于制造管狀復(fù)合材料物體,如高爾夫俱樂(lè)部和網(wǎng)球拍,其他體育用品包括釣魚(yú)桿、箭頭、滑雪裝備、賽車(chē)、自行車(chē)架、球拍、棒球棒和運(yùn)動(dòng)墻。

傳統(tǒng)木質(zhì)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(zhì)小提琴在空氣中受水分及微生物等的作用會(huì)發(fā)生破裂及腐蝕,其聲學(xué)品質(zhì)隨時(shí)間延長(zhǎng)下降嚴(yán)重。而碳纖維小提琴就可以避免木質(zhì)小提琴的這些缺點(diǎn),主要是由于碳纖維復(fù)合材料具有耐高溫、耐腐蝕、防潮、尺寸穩(wěn)定及抗微生物等特點(diǎn),假如用碳纖維制作,小提琴音色在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍能保持很好的原始特點(diǎn)。共鳴音板是鋼琴的重要部件,起到對(duì)琴弦振動(dòng)聲音的共振、美化與輻射作用傳統(tǒng)的鋼琴實(shí)木音板主要有實(shí)木音板及三層實(shí)木復(fù)合音板,前者選材極其苛刻,如對(duì)木材所含的天然缺陷數(shù)目、木材間的紋理色差、木材的生長(zhǎng)輪寬度與變異系數(shù)等有極高的要求,且穩(wěn)定性差;后者降低了選材的要求,尺寸穩(wěn)定性有所提高,但仍存在出材率低,整塊音板振動(dòng)均勻性差等缺點(diǎn)。目前,采用碳纖維復(fù)合材料的音板具有很好的振動(dòng)傳導(dǎo)性及力學(xué)性能,尺寸穩(wěn)定性以發(fā)音效果穩(wěn)定,音板各個(gè)方向的振動(dòng)傳播均勻,成本有所降低。

個(gè)人防護(hù)、高溫濾材、蜂窩絕緣需求向好,間位芳綸需求持續(xù)拉動(dòng)。隨著《防護(hù)服裝阻燃服》和《個(gè)體防護(hù)裝備配備規(guī)范》等強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實(shí)施,產(chǎn)業(yè)工裝對(duì)間位芳綸的需求將大幅增加。據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)用紡織品協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)李陵申介紹,目前國(guó)內(nèi)個(gè)人防護(hù)領(lǐng)域除消防服與國(guó)際接軌、采用芳綸面料外,其它行業(yè)的安全防護(hù)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。

芳綸用于鋰電涂覆提升鋰電池關(guān)鍵性能,間位芳綸需求空間打開(kāi)。鋰電池涂覆為在鋰電池電芯隔膜或極片進(jìn)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(huán)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(lǐng)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(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步提升隔膜性能,近來(lái),LG等率先使用芳綸替代勃姆石進(jìn)行鋰電池涂覆,預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)企業(yè)也將陸續(xù)對(duì)該新技術(shù)進(jìn)行布局。

輕質(zhì)、強(qiáng)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(yùn)動(dòng)品牌的裝備性能更高。這種材料已在惡劣的海洋條件下進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試,也已用于風(fēng)箏沖浪和其他風(fēng)力運(yùn)動(dòng),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(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)。此外,該材料能夠被回收,并且理論上可用于背包懸掛系統(tǒng)或其他行業(yè)的應(yīng)用。

由于每種纖維都有其固有的特性,依賴單一類(lèi)型的纖維很難滿足摩擦復(fù)合材料增強(qiáng)組分的全部要求。因此,結(jié)合多種纖維材料以提升復(fù)合材料的性能被證明是一種有效的策略。這種方法通過(guò)結(jié)合兩種或多種纖維的優(yōu)點(diǎn),開(kāi)發(fā)出了雙組分或多組分纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。特別是,碳纖維和芳綸作為摩擦材料中常用的增強(qiáng)纖維,它們不僅共享優(yōu)異的力學(xué)性能,還各自擁有獨(dú)特的屬性。例如,碳纖維以其高導(dǎo)熱性和耐腐蝕性著稱,而芳綸則以其比碳纖維更加堅(jiān)韌且不易碎的特性突出。將這兩種纖維結(jié)合應(yīng)用于樹(shù)脂基摩擦材料中,可以充分利用這兩種材料的優(yōu)勢(shì)。
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