高檔數(shù)控機床、機器人和碳纖維

 

       中國制造2025發(fā)展戰(zhàn)略把精密、高速、高效、柔性數(shù)控機床與基礎制造裝備及集成制造系統(tǒng)作為高檔數(shù)控機床的重點任務，要求機器人產業(yè)加速滿足市場對汽車、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業(yè)機器人、特種機器人，以及醫(yī)療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人日益增長的需求。

 

 

       以碳纖維材料制成的輥軸、齒輪等機床零配件，在動平衡、啟動制停速度、降低能耗和使用壽命方面具有很大的價值空間，成為高端機械積極探索和實現(xiàn)產品更新?lián)Q代的重要途徑和方向。碳纖維機械手臂、碳纖維機械關節(jié)等這些機器人產業(yè)對新材料的應用，使機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)，在更輕更強的優(yōu)勢中獲得了更高層面的應用潛力。

 

航空航天裝備與碳纖維

 

       加快大型飛機研制，開發(fā)先進機載設備及系統(tǒng)，形成自主完整的航空產業(yè)鏈，發(fā)展新一代運載火箭、重型運載器，提升進入空間能力，推進航天技術轉化與空間技術應用是中國2025制造整體戰(zhàn)略對航空航天裝備事業(yè)提出的總體目標。

 

       從過去的十年來看，高性能的碳纖維及復合材料的新增產能多以滿足航空航天需要為主，例如，去年地面試車成功的快舟十一號固體運載火箭就采用碳纖維固體火箭發(fā)動機殼體。而近五到十年內，碳纖維復合材料在民用飛機上的應用也在高速成倍地增長，減速板、垂直和水平穩(wěn)定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機身、水平尾翼和副翼等部位的材料逐漸向碳纖維復合材料靠攏，碳纖維復合材料在民用飛機上的比重甚至達到了22%，占用于機體中的復合材料的絕大多數(shù)。隨著我國軍用飛機、支線飛機ARJ21及大型商用客機C919項目的開展和我國航天事業(yè)的發(fā)展，碳纖維復合材料的用量將會不斷增長。

 
 

海洋工程裝備、高技術船舶與碳纖維

　　

       《通知》要求大力發(fā)展深海探測、資源開發(fā)利用、海上作業(yè)保障裝備及其關鍵系統(tǒng)和專用設備。

　　

       碳纖維材料已成為深海探測及深海油田氣開發(fā)中必不可少的材料，碳纖維臍帶管加強桿、錨泊系纜、采油立管、柔性立管等結構件在深海石油平臺上的應用越來越多。油氣田生產深度一般在3000m 以上，勘探深度在4000m 以上，油氣田結構件設計必須達到25年免維護的標準。傳統(tǒng)海上油氣田相關用材為鋼材，如將平臺錨固到海底的系纜和連接油井口到平臺的管纜。鋼制繩索和管子的重量增大了平臺的漂浮尺寸，增加能耗。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1500m水深的作業(yè)平臺，鋼制繩索重約6000t，而改用碳纖維復合材料質量僅有1000t。另外，其高強度、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，極大地減少了維護成本。在高技術船舶中，碳纖維材料的應用也在逐步發(fā)展，如碳纖維艏側推水密蓋板等碳纖維船舶結構件的開發(fā)和利用，對船舶在速度和能耗方面都有顯著的影響。

 

先進軌道交通裝備與碳纖維

　　

       中國2025制造戰(zhàn)略將加快新材料、新技術和新工藝的應用，重點突破體系化安全保障、節(jié)能環(huán)保、數(shù)字化智能化網絡化技術，研制先進可靠適用的產品和輕量化、模塊化、譜系化產品作為研發(fā)新一代綠色智能、高速重載軌道交通裝備系統(tǒng)，建立世界領先的現(xiàn)代軌道交通產業(yè)體系的主要途徑。

 

       碳纖維材料能完美演繹“節(jié)能環(huán)保”與“輕量化”兩個概念，軌道車輛中的車頭罩座椅骨架、轉向架等車體結構件及墻板、頂板、間壁、座椅骨架、司機臺等內飾部件都可以使用碳纖維復合材料，輕量化在實現(xiàn)車體大幅度減重的同時，減少燃料使用和廢氣排放，提升車速。材料本身的高強度、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。但是車體內部為封閉性空間，高速運行之下，車體內部環(huán)境對構成車體的結構材料和內飾材料都提出了更高要求。為了進一步滿足軌道交通裝備對車體安全的需求，無錫威盛新材料科技有限公司專門針對高鐵等軌道車輛運行的特殊性，研發(fā)出耐高溫阻燃性碳纖維復合材料，在保持原有的機械強度、耐腐蝕、抗輻射、耐濕熱等優(yōu)勢的同時，提升了復合材料的耐磨性、韌性及透波性，在遇到高溫或者火災等事故時，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行的安全性和穩(wěn)定性。通過推動碳纖維在軌道車輛中的應用，為中國高鐵走向世界再加馬力。

 

節(jié)能、新能源汽車與碳纖維

　　

       電動汽車、燃料電池汽車的發(fā)展在中國制造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，推動自主品牌節(jié)能與新能源汽車同國際先進水平接軌。

　　

       新能源汽車在繼承傳統(tǒng)汽車對碳纖維積極應用的基礎上，必須有更大的應用力度，因為其在降低自重、解決能耗、減少充電頻率、延長電池使用壽命方面有更強的需求，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)汽車的價值與意義所在。在此情況下，政府制定的車輛燃料經濟性嚴格標準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合材料。電動汽車的重量比傳統(tǒng)汽車要超過200-300 kg，為保證電動汽車有較好的續(xù)駛里程及可承受成本，電動汽車的車身重量必須減重50%以上。在所有輕量化材料中，碳纖維復合材料是唯一能替代鋼質零部件，減重達50-60%，并提供同等強度的先進材料。

 

       除了外觀覆蓋件之外，轉向架、車廂、內飾、設備倉、摩擦材料、電池盒等等都屬于碳纖維復合材料的應用范圍。在無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構件中，碳纖維吸能盒、防撞梁和電池盒體都是比較典型的應用，例如一個容積約為35L，壁厚2mm的碳纖維電池箱體，重量僅為2.7kg，與傳統(tǒng)鋼結構材料制作的電池箱體相比大約能減重80％，強度和荷載力比傳統(tǒng)鈑金件表現(xiàn)更佳。一款盒體凈重僅為463克的碳纖維復合材料低速吸能盒，整個構件重量比原金屬材料降低60％-80％，面對沖擊時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，碳纖維復合材料的高強度特性使其抵抗和傳遞撞擊載荷的能力很強，因此非常適合用于汽車容易發(fā)生撞擊的部位。

 

 

電力裝備與碳纖維

　　

       根據(jù)中國制造2025的通知精神，新能源和可再生能源裝備、先進儲能裝置、智能電網用輸變電及用戶端設備發(fā)展將得到大力推進。

　　

       在可再生能源裝備方面，碳纖維應用較廣的形式是作為風力發(fā)電槳葉使用，其強度高、重量輕，是風力發(fā)電理想的材料。由江蘇連云港中復連眾復合材料集團有限公司自主研發(fā)的、國內首支68米長6兆瓦風機葉片日前裝運出海至歐洲。

　　

       在先進儲能裝置方面，飛輪儲能是一種新型綠色儲能技術，其將電能轉換為高轉速的飛輪，在需要的時候，再通過發(fā)電機轉換為需要的電能，不需要時飛輪仍做高速運轉，在使用和維護過程中不會產生任何化學材料垃圾。可以無數(shù)次充放電，使用壽命十分長。質量輕、強度高的碳纖維材料對儲能飛輪的意義重大，目前國內外對碳纖維儲能飛輪的開發(fā)和利用較多。

 

       在智能電網用輸變電及用戶端設備方面，國家電網正在向全國推廣應用的一款變電站巡檢機器人智能化工作效果顯著。該款機器人采用的是自主充電的方式，充滿一次可運行5-6小時，每充一次電至少要對設備進行兩輪全面巡檢，每輪巡視至少要2個小時，因此，機器人的所蓄電能應盡量用于檢測運行。為保證機器人能耐受更長時間的高強度工作，該款巡檢機器人采用了無錫威盛新材料科技有限公司生產的可伸縮式碳纖維套管機械臂，該機械臂由從寬到窄7個不同型號的臂管組成，壁厚從0.5mm到2mm不等，總重量僅有3KG，大幅度降低了機器人巡檢時的耗能，從而延長了工作時間，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，因此該款巡檢機器人完全可以適用于高海拔、酷熱、極寒、大風、沙塵、多雨等惡劣環(huán)境下的配電站。

農機裝備與碳纖維

　　

       中國制造2025戰(zhàn)略要求重點發(fā)展大宗糧食和戰(zhàn)略性經濟作物育、耕、種、管、收、運、貯等主要生產過程中使用的先進農機裝備，加快發(fā)展高端農業(yè)裝備及關鍵核心零部件，提高農機裝備信息收集、智能決策和精準作業(yè)能力。

　　作為農業(yè)大國，如何集中有效地檢測農作物生長情況以及噴灑農藥是高端農業(yè)裝備正積極解決的問題之一，具有節(jié)約農藥使用量、作業(yè)精度高，防治效果好的農用植保機能通過遠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藥，提高了噴灑作業(yè)安全性，并以更精準的方式在很大程度上降低資源成本。用于農業(yè)監(jiān)測的無人機能及時、準確地掌握農作物生長情況，為農業(yè)措施提供可靠信息。

 

 

       碳纖維槳片、碳纖維機殼、碳纖維壁管等碳纖維復合材料成為無人植保機制造的主流材料。比重僅為鋼四分之一的碳纖維材料，柔韌性好、比強度高，抗拉強度卻是普通鋼材的10倍以上，具有優(yōu)異的抗蠕變和抗震性，同時具有良好的耐久性和耐腐蝕性，對耐酸、堿、鹽及大氣環(huán)境的腐蝕都有一定的承受性，可以有效延長無人機的使用壽命。

 

高性能醫(yī)療器械與碳纖維

　　

       作為國計民生的關注焦點，醫(yī)療器械產業(yè)成為中國制造2025戰(zhàn)略要點之一。其強調，必須提高醫(yī)療器械的創(chuàng)新能力和產業(yè)化水平，重點發(fā)展影像設備、醫(yī)用機器人等高性能診療設備和醫(yī)療產品。

 

       隨著世界范圍內腫瘤病患者的日益增多，放射性醫(yī)療設備的需求量迅速上升，放射性診斷及治療設備隨著技術發(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)療設備及輔助器械的使用上，要求相關配件對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對患者以及醫(yī)護人員的危害，與此同時，這些配件的強度以及耐用性還要滿足設備使用的高頻度要求，在質量、衛(wèi)生性、可靠性和精度方面都需符合高標準醫(yī)用設備的標準參數(shù)。碳纖維復合材料具有滿足以上各項要求的優(yōu)異性能，因此，碳纖維放射性頭托、床面板、放療定位架、乳腺機支撐板、DR平板探測器等碳纖維醫(yī)療器械和診療設備在臨床中得到了越來越多的應用。