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0、概 述
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碳纖維作為一種新型高科技材料，雖然應(yīng)用成本比傳統(tǒng)金屬材料要高，但是在提升產(chǎn)品性能、加速產(chǎn)業(yè)提質(zhì)升級(jí)方面具有特殊意義。國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于中國(guó)制造2025的通知》中明確提出了高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、先進(jìn)軌道交通裝備、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備、農(nóng)機(jī)裝備、生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械等重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，碳纖維材料在這些領(lǐng)域中均有不同形式的應(yīng)用。
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1、高檔數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人
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中國(guó)制造2025發(fā)展戰(zhàn)略把精密、高速、高效、柔性數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備及集成制造系統(tǒng)作為高檔數(shù)控機(jī)床的重點(diǎn)任務(wù)，要求機(jī)器人產(chǎn)業(yè)加速滿足市場(chǎng)對(duì)汽車、機(jī)械、電子、危險(xiǎn)品制造、國(guó)防軍工、化工、輕工等工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人，以及醫(yī)療健康、家庭服務(wù)、教育娛樂等服務(wù)機(jī)器人日益增長(zhǎng)的需求。 1 b- q6 m0 j+ D* g9 @8 Q
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以碳纖維材料制成的輥軸、齒輪等機(jī)床零配件，在動(dòng)平衡、啟動(dòng)制停速度、降低能耗和使用壽命方面具有很大的價(jià)值空間，成為高端機(jī)械積極探索和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更新?lián)Q代的重要途徑和方向。碳纖維機(jī)械手臂、碳纖維機(jī)械關(guān)節(jié)等這些機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)新材料的應(yīng)用，使機(jī)器人能在很大程度上擺脫自重過大的弊端，并利用碳纖維材料較小的蠕變性保證了在溫差較大的環(huán)境中穩(wěn)定的工作狀態(tài)，在更輕更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)中獲得了更高層面的應(yīng)用潛力。
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2、航空航天裝備 9 ?) z, G( f( M& m" o8 T
加快大型飛機(jī)研制，開發(fā)先進(jìn)機(jī)載設(shè)備及系統(tǒng)，形成自主完整的航空產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)展新一代運(yùn)載火箭、重型運(yùn)載器，提升進(jìn)入空間能力，推進(jìn)航天技術(shù)轉(zhuǎn)化與空間技術(shù)應(yīng)用是中國(guó)2025制造整體戰(zhàn)略對(duì)航空航天裝備事業(yè)提出的總體目標(biāo)。
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碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是生產(chǎn)武器裝備的重要材料。在戰(zhàn)斗機(jī)和直升機(jī)上，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于戰(zhàn)機(jī)主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)件和戰(zhàn)機(jī)特殊部位的特種功能部件。國(guó)外將碳纖維/環(huán)氧和碳纖維/雙馬復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)機(jī)機(jī)身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用,大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能，數(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機(jī)身段，可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%；復(fù)合材料垂直安定面可減輕質(zhì)量32.24%。
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高模碳纖維質(zhì)輕，剛性，尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性好，因此很早就應(yīng)用于人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽(yáng)能電池板和天線中。現(xiàn)今的人造衛(wèi)星上的展開式太陽(yáng)能電池板多采用高模碳纖維復(fù)合材料制作，而太空站和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)上的一些關(guān)鍵部件也往往采用高模碳纖維復(fù)合材料作為主要材料。
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3、海洋工程裝備、高技術(shù)船舶 9 f6 a: Q$ K4 L h8 `+ E4 @
《通知》要求大力發(fā)展深海探測(cè)、資源開發(fā)利用、海上作業(yè)保障裝備及其關(guān)鍵系統(tǒng)和專用設(shè)備。碳纖維材料已成為深海探測(cè)及深海油田氣開發(fā)中必不可少的材料，碳纖維臍帶管加強(qiáng)桿、錨泊系纜、采油立管、柔性立管等結(jié)構(gòu)件在深海石油平臺(tái)上的應(yīng)用越來(lái)越多。
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油氣田生產(chǎn)深度一般在3000m 以上，勘探深度在4000m 以上，油氣田結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)必須達(dá)到25年免維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)海上油氣田相關(guān)用材為鋼材，如將平臺(tái)錨固到海底的系纜和連接油井口到平臺(tái)的管纜。鋼制繩索和管子的重量增大了平臺(tái)的漂浮尺寸，增加能耗。 , g7 u/ }$ _7 G- @
鋼材在海水的浸泡下也極易腐蝕，工作壽命只有兩到三年，周期性檢修和管纜維護(hù)成本極高。相比之下，碳纖維材料的性能具有明顯的優(yōu)越性，例如一個(gè)1500m水深的作業(yè)平臺(tái)，鋼制繩索重約6000t，而改用碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量?jī)H有1000t。另外，其高強(qiáng)度、高模量、優(yōu)異的抗疲勞性和耐腐蝕性，使其工作壽命可超過25年，極大地減少了維護(hù)成本。在高技術(shù)船舶中，碳纖維材料的應(yīng)用也在逐步發(fā)展，如碳纖維艏側(cè)推水密蓋板等碳纖維船舶結(jié)構(gòu)件的開發(fā)和利用，對(duì)船舶在速度和能耗方面都有顯著的影響。 9 c w- }" ?% O) [ a* B
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4、先進(jìn)軌道交通裝備 ' |" F8 o$ S! ^" f# |6 @9 j
中國(guó)2025制造戰(zhàn)略將加快新材料、新技術(shù)和新工藝的應(yīng)用，重點(diǎn)突破體系化安全保障、節(jié)能環(huán)保、數(shù)字化智能化網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，研制先進(jìn)可靠適用的產(chǎn)品和輕量化、模塊化、譜系化產(chǎn)品作為研發(fā)新一代綠色智能、高速重載軌道交通裝備系統(tǒng)，建立世界領(lǐng)先的現(xiàn)代軌道交通產(chǎn)業(yè)體系的主要途徑。
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碳纖維材料能完美演繹“節(jié)能環(huán)保”與“輕量化”兩個(gè)概念，軌道車輛中的車頭罩座椅骨架、轉(zhuǎn)向架等車體結(jié)構(gòu)件及墻板、頂板、間壁、座椅骨架、司機(jī)臺(tái)等內(nèi)飾部件都可以使用碳纖維復(fù)合材料，輕量化在實(shí)現(xiàn)車體大幅度減重的同時(shí)，減少燃料使用和廢氣排放，提升車速。材料本身的高強(qiáng)度、高拉伸載荷力以及極小的變形性也在一定程度上保障了車體安全。
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但是車體內(nèi)部為封閉性空間，高速運(yùn)行之下，車體內(nèi)部環(huán)境對(duì)構(gòu)成車體的結(jié)構(gòu)材料和內(nèi)飾材料都提出了更高要求。為了進(jìn)一步滿足軌道交通裝備對(duì)車體安全的需求，無(wú)錫威盛新材料科技有限公司專門針對(duì)高鐵等軌道車輛運(yùn)行的特殊性，研發(fā)出耐高溫阻燃性碳纖維復(fù)合材料，在保持原有的機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕、抗輻射、耐濕熱等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，提升了復(fù)合材料的耐磨性、韌性及透波性，在遇到高溫或者火災(zāi)等事故時(shí)，能做到低煙、低毒和低熱釋放的性能，大大提高了軌道交通車輛運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。通過推動(dòng)碳纖維在軌道車輛中的應(yīng)用，為中國(guó)高鐵走向世界再加馬力。 / y j1 s. v8 k
5、節(jié)能、新能源汽車
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電動(dòng)汽車、燃料電池汽車的發(fā)展在中國(guó)制造2025戰(zhàn)略路線中將繼續(xù)得到支持，戰(zhàn)略要求其以更完整的工業(yè)體系和創(chuàng)新體系，推動(dòng)自主品牌節(jié)能與新能源汽車同國(guó)際先進(jìn)水平接軌。 1 |9 k# p6 A' J, ?" x5 b; S
新能源汽車在繼承傳統(tǒng)汽車對(duì)碳纖維積極應(yīng)用的基礎(chǔ)上，必須有更大的應(yīng)用力度，因?yàn)槠湓诮档妥灾亍⒔鉀Q能耗、減少充電頻率、延長(zhǎng)電池使用壽命方面有更強(qiáng)的需求，特別是在減少污染和能耗方面，這也是新能源車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的價(jià)值與意義所在。在此情況下，政府制定的車輛燃料經(jīng)濟(jì)性嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)和二氧化碳排放法規(guī)促使新能源汽車必須選擇碳纖維復(fù)合材料。電動(dòng)汽車的重量比傳統(tǒng)汽車要超過200-300 kg，為保證電動(dòng)汽車有較好的續(xù)駛里程及可承受成本，電動(dòng)汽車的車身重量必須減重50%以上。在所有輕量化材料中，碳纖維復(fù)合材料是唯一能替代鋼質(zhì)零部件，減重達(dá)50-60%，并提供同等強(qiáng)度的先進(jìn)材料。 ( q* F6 o# R: P, a, ^
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除了外觀覆蓋件之外，轉(zhuǎn)向架、車廂、內(nèi)飾、設(shè)備倉(cāng)、摩擦材料、電池盒等等都屬于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。在無(wú)錫威盛新材料科技有限公司為新能源汽車提供的碳纖維結(jié)構(gòu)件中，碳纖維吸能盒、防撞梁和電池盒體都是比較典型的應(yīng)用，例如一個(gè)容積約為35L，壁厚2mm的碳纖維電池箱體，重量?jī)H為2.7kg，與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)材料制作的電池箱體相比大約能減重80%，強(qiáng)度和荷載力比傳統(tǒng)鈑金件表現(xiàn)更佳。一款盒體凈重僅為463克的碳纖維復(fù)合材料低速吸能盒，整個(gè)構(gòu)件重量比原金屬材料降低60%-80%，面對(duì)沖擊時(shí)的能量吸收率卻非常高，甚至比鋼、鋁等材料要高出4倍以上，碳纖維復(fù)合材料的高強(qiáng)度特性使其抵抗和傳遞撞擊載荷的能力很強(qiáng)，因此非常適合用于汽車容易發(fā)生撞擊的部位。 # G! z5 Y$ |- Q3 ]* @6 B
6、電力裝備 / ]0 m- n3 ]/ J8 S& e/ l5 d$ N1 P
根據(jù)中國(guó)制造2025的通知精神，新能源和可再生能源裝備、先進(jìn)儲(chǔ)能裝置、智能電網(wǎng)用輸變電及用戶端設(shè)備發(fā)展將得到大力推進(jìn)。在可再生能源裝備方面，碳纖維應(yīng)用較廣的形式是作為風(fēng)力發(fā)電槳葉使用，其強(qiáng)度高、重量輕，是風(fēng)力發(fā)電理想的材料。 在先進(jìn)儲(chǔ)能裝置方面，飛輪儲(chǔ)能是一種新型綠色儲(chǔ)能技術(shù)，其將電能轉(zhuǎn)換為高轉(zhuǎn)速的飛輪，在需要的時(shí)候，再通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為需要的電能，不需要時(shí)飛輪仍做高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在使用和維護(hù)過程中不會(huì)產(chǎn)生任何化學(xué)材料垃圾。可以無(wú)數(shù)次充放電，使用壽命十分長(zhǎng)。質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的碳纖維材料對(duì)儲(chǔ)能飛輪的意義重大，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)碳纖維儲(chǔ)能飛輪的開發(fā)和利用較多。 ! y2 C0 v3 M( k( |3 v$ D* O
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在智能電網(wǎng)用輸變電及用戶端設(shè)備方面，國(guó)家電網(wǎng)正在向全國(guó)推廣應(yīng)用的一款變電站巡檢機(jī)器人智能化工作效果顯著。該款機(jī)器人采用的是自主充電的方式，充滿一次可運(yùn)行5-6小時(shí)，每充一次電至少要對(duì)設(shè)備進(jìn)行兩輪全面巡檢，每輪巡視至少要2個(gè)小時(shí)，因此，機(jī)器人的所蓄電能應(yīng)盡量用于檢測(cè)運(yùn)行。為保證機(jī)器人能耐受更長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度工作，該款巡檢機(jī)器人采用了可伸縮式碳纖維套管機(jī)械臂，該機(jī)械臂由從寬到窄7個(gè)不同型號(hào)的臂管組成，壁厚從0.5mm到2mm不等，總重量?jī)H有3KG，大幅度降低了機(jī)器人巡檢時(shí)的耗能，從而延長(zhǎng)了工作時(shí)間，提高了工作效率。另外，碳纖維材料具有良好的抗腐蝕和耐疲勞性，在較大的溫差下也能保持極小的蠕變性，因此該款巡檢機(jī)器人完全可以適用于高海拔、酷熱、極寒、大風(fēng)、沙塵、多雨等惡劣環(huán)境下的配電站。 8 `% L+ t' W2 F
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7、農(nóng)機(jī)裝備 2 ] y# Y+ O3 ]
中國(guó)制造2025戰(zhàn)略要求重點(diǎn)發(fā)展大宗糧食和戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)作物育、耕、種、管、收、運(yùn)、貯等主要生產(chǎn)過程中使用的先進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備，加快發(fā)展高端農(nóng)業(yè)裝備及關(guān)鍵核心零部件，提高農(nóng)機(jī)裝備信息收集、智能決策和精準(zhǔn)作業(yè)能力。 + v# s1 u+ i" A) G* S
作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，如何集中有效地檢測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況以及噴灑農(nóng)藥是高端農(nóng)業(yè)裝備正積極解決的問題之一，具有節(jié)約農(nóng)藥使用量、作業(yè)精度高，防治效果好的農(nóng)用植保機(jī)能通過遠(yuǎn)距離遙控操作的方式，幫助噴灑作業(yè)人員避免直接接觸農(nóng)藥，提高了噴灑作業(yè)安全性，并以更精準(zhǔn)的方式在很大程度上降低資源成本。用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)人機(jī)能及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)情況，為農(nóng)業(yè)措施提供可靠信息。
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碳纖維槳片、碳纖維機(jī)殼、碳纖維壁管等碳纖維復(fù)合材料成為無(wú)人植保機(jī)制造的主流材料。比重僅為鋼四分之一的碳纖維材料，柔韌性好、比強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度卻是普通鋼材的10倍以上，具有優(yōu)異的抗蠕變和抗震性，同時(shí)具有良好的耐久性和耐腐蝕性，對(duì)耐酸、堿、鹽及大氣環(huán)境的腐蝕都有一定的承受性，可以有效延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的使用壽命。 $ W: R$ w* H4 F8 m( Z: C& M$ n
8、高性能醫(yī)療器械
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作為國(guó)計(jì)民生的關(guān)注焦點(diǎn)，醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)成為中國(guó)制造2025戰(zhàn)略要點(diǎn)之一。其強(qiáng)調(diào)，必須提高醫(yī)療器械的創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)化水平，重點(diǎn)發(fā)展影像設(shè)備、醫(yī)用機(jī)器人等高性能診療設(shè)備和醫(yī)療產(chǎn)品。
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隨著世界范圍內(nèi)腫瘤病患者的日益增多，放射性醫(yī)療設(shè)備的需求量迅速上升，放射性診斷及治療設(shè)備隨著技術(shù)發(fā)展已逐漸向放射劑量小及成像分析數(shù)字化的方向靠攏，在放射性醫(yī)療設(shè)備及輔助器械的使用上，要求相關(guān)配件對(duì)X射線透過性能好，在滿足使用的前提下，盡可能地降低放射性物質(zhì)對(duì)患者以及醫(yī)護(hù)人員的危害，與此同時(shí)，這些配件的強(qiáng)度以及耐用性還要滿足設(shè)備使用的高頻度要求，在質(zhì)量、衛(wèi)生性、可靠性和精度方面都需符合高標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。碳纖維復(fù)合材料具有滿足以上各項(xiàng)要求的優(yōu)異性能，因此，碳纖維放射性頭托、床面板、放療定位架、乳腺機(jī)支撐板、DR平板探測(cè)器等碳纖維醫(yī)療器械和診療設(shè)備在臨床中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。 4 P5 Q; u/ f0 e6 ~6 i6 U; d- m
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發(fā)表于 2019-6-20 09:40:04
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