目前,碳纖維復合材料的設計正朝著大尺寸、輕量化和高性能化的方向發展,這也是復合材料產品升級的關鍵。
對于設計者來說,方便的方法是使用高剛度的碳纖維材料,因為這種結構能夠在安全可接受的范圍內達到減輕重量的效果,而無需調整復合材料的制造。高模量碳纖維優勢就在于可以賦予復合材料高剛度特性。
近年來日本對高性能輕量化產品的需求進行了詳細研究,并指出在未來的十年中碳纖維復合材料實現廣泛應用的大潛在市場集中在汽車市場、風力渦輪機以及大型民用飛機等領域。
以風電領域為例,目前長度為30m的1MW機組的風力發電機葉片和主體由玻璃纖維制成,如果要建造7MW級的大型海上風力發電機組,則所需葉片的長度應達到70m長,這相當于A380飛機機翼的長度。
由于葉片上的應力方向是特定的,因此風力渦輪發電機葉片需要使用中高模量碳纖維,以提高剛度、減少變形,保持葉片壽命并提高風轉換效率。通過為每個發電機組計算3個葉片,一個3MW的風力發電機組將需要9噸碳纖維。
高模碳纖維復合材料以其優異的高強度和高剛度,有望成為未來碳纖維發展的重點。在本公眾號原創文章《從東麗創新技術發展解析為何高強度高模量碳纖維將成為下一代碳纖維產品主流》(閱讀原文)詳細解析了近幾年日本東麗公司碳纖維創新技術主要集中于高強度高模量碳纖維的研發。
作為目前已經成功晉升為碳纖維產能排名第二的美國赫氏Hexcel公司也在不斷補充高模量碳纖維產品,繼2019年推出HM50型高模量碳纖維后,本公眾號《全面了解美國大碳纖維制造商—Hexcel公司:新HM54型高強高模碳纖維》(閱讀原文)一文中也介紹了Hexcel公司于2020年推出的新款HexTow?HM54型高模量碳纖維。
碳纖維的高模量化會否成為未來碳纖維的重點發展方向?答案尚不確定,但是起碼日本東麗和美國赫氏正在努力朝著該方向發展!
原創 錢 鑫 博士