三大纤维增强复合材料及其巨头的故事

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近年来，以碳纤维、玻璃纤维为代表的纤维增强复合材料在世界上得到了迅速的发展，在材料人网报道的行业动态和科技新闻中也常常见到它们的身影。而就在最近，工信部引导，中国建材集团牵头成立了碳纤维产业联盟。这说明国家逐步地在碳纤维及其复合材料方面重视以及扶持。今天，就为大家介绍关于纤维增强复合材料相关内容。


我们在解读新材料十二五规划那篇文章中曾向大家介绍过，复合材料的组分为基体和增强体两部分（两者的区分是基体连续分布，而增强体分散在基体中）。那么，纤维增强复合材料就是以纤维作为增强体的复合材料。目前应用的主要是三大纤维复合材料：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维复合材料，其中市场最大的属玻璃纤维复合材料，其次是碳纤维复合材料，最小的是芳纶纤维复合材料。


碳纤维及其复合材料


碳纤维是由有机纤维或者低分子烃气体加热至1500度形成的纤维状碳材料，碳含量90%以上，具有低密度、高强度、高模量、耐高温等等一系列的优良特性。以拉伸强度作为衡量标准，碳纤维被分成不同的品级。例如T300抗拉强度3.5Gpa，属于碳纤维中低端品级。高端品级T800的抗拉强度5.5Gpa，日本东丽生产的高强T1000达到7.05Gpa。如果对这些数字没有概念，我们可以对比钢铁的抗拉强度。普通钢材的抗拉强度在几百Mpa，高于500Mpa则是高强度钢，目前超高强度钢的抗拉强度极限值约1.7Gpa。如此看来，所谓的高强度钢比起强度来，在碳纤维面前也是个渣渣。

                               
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碳纤维制作过程

而碳纤维复合材是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷等为基体的复合材料。比较普遍的碳纤维复合材是以热固性树脂作为基体。这种材料具有很高的比强度，轻量化效果非常明显，是一种极为重要的轻量话材料。因此，碳纤维复合材在航空航天、汽车、风能设备方面的应用得到了快速的发展。例如波音787中碳纤维复合材料占材料使用比例超过一半。宝马公司也计划在自己的车型中开始大量使用碳纤维复合材料，并为此与其他公司合资建设碳纤维生产厂。


玻璃纤维复合材料


玻璃纤维复合材料有一个很有名的俗称——玻璃钢。它是以合成树脂为基体材料，玻璃纤维及其制品作为增强材料的复合材料。根据合成树脂的不同，玻璃钢可以分为环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢、聚酯玻璃钢。


说起来，玻璃纤维制作过程也是一个化腐朽为神奇的过程。它是以废旧玻璃作为原料，经过高温熔制、拉丝、织布等工艺制作而成。原来硬而脆的玻璃制成玻璃纤维后变得高强度、高柔韧性、抗腐蚀性好，但只能承拉，不能承受弯曲、剪切、压应力。所以，通常使用合成树脂将玻璃纤维粘合在一起，制成玻璃钢。


玻璃钢最大的特点是轻质高强，密度比铝合金还轻三分之一，比强度超过普通钢。此外，玻璃钢还具有电绝缘、线膨胀系数低，可耐高达3800度的瞬时高温，良好的抗腐蚀性能和抗疲劳性能。（关于玻璃钢与其他材料的对比，可以查看材料人论坛中一份资料）因其优良性能，玻璃钢在建筑、化工、汽车、电子通讯等领域得到了广泛应用，例如材料人网最近报道过奔驰公司用玻纤弹簧替代钢制弹簧的消息。玻璃钢是三大纤维复合材料中应用最广泛，市场最大的。


芳纶纤维复合材料


芳纶纤维的全称是芳香族聚酰胺纤维，是一种高强度、高模量、低密度、高耐磨的有机合成材料，可以分为对位芳纶和间位芳纶以及杂环芳纶。它由芳香族化合物经缩聚纺丝制成。芳纶纤维主要有耐高温、阻燃性能佳、电绝缘、耐腐蚀、弹性模量大、强度大等性能。以下是芳纶纤维与其他纤维力学性能对比图。

                               
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芳纶纤维复合材料同玻璃钢类似，也是采用树脂作为集体材料。芳纶纤维复合材料具有高比强度、高比模量、密度低、抗冲击、耐疲劳等特性，在航空航天、防弹防爆、电子电器、体育器材等方面有广泛的应用。


纤维增强复合材料巨头


复合材料市场是一个相对分散的市场，至今尚未有哪家企业或者组织获得了垄断性的地位，因为除极个别企业涉足多种纤维复合材料外，大部分企业只生产单一类型的复合材料。具体到三种纤维复合材，碳纤维和玻璃纤维的市场竞争激烈程度和远高于芳纶纤维。


曾有国外市场调研机构评选出Owens Corning、Teijin、Hexcel、Asahi Fibreglass Company 以及PPG作为纤维增强复合材料领域内实力最雄厚的五大生产商。


Owens Corning：中文译作欧文斯康宁，总部位于美国，成立于1938年，在全球拥有30多家工厂。欧文斯康宁是建筑材料与玻璃纤维复合材料的领先生产商。而且该公司在玻纤领域历史悠久，早在50多年前就已开始生产玻璃纤维及玻璃纤维绝缘材料。


Teijin：中文译作帝人株式会社，总部位于日本，成立于1918年，日本化纤纺织界巨头。纤维复合材料方面，帝人主要生产芳纶纤维和碳纤维。帝人分别于1971年、1987年开始间位芳纶纤维、对位芳纶纤维业务。1975年，帝人开始量产聚丙烯腈系的碳纤维“TENAX”（中文译作“特耐克丝”）。2011年，帝人开发出热可塑性碳纤维增强复合材料1分钟成型技术。


Hexcel：中文译作赫氏，总部位于美国，成立于1946年，航空航天用碳纤维和复合材料制造商。赫氏生产碳纤维已有40多年历史，其产品供应商用飞机、军用飞机、直升机、发动机、运载火箭等领域，客户包括空客A350、A380、波音787以及通用电气生产的引擎等等。


PPG：总部位于美国，成立于1883年，涂料、玻璃和玻璃纤维生厂商，是世界第一的交通用漆制造商。从1952年开始，PPG开始生产玻璃纤维及复合材料。PPG的玻纤产品应用市场包括航空航天、防弹防爆、房屋建筑、电子工业、医疗器材等方面。


此外，Asahi Fibreglass Company、SGL Group、Cytec、台湾台塑集团、Zoltek、DuPont、Gurit、TenCate等公司亦可以再各大研究机构复合材料Top榜单上觅得身影。


转自材料人
来源：网络转载

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