碳纤维复合材料在新能源工业中的最新应用

  近几年来,碳纤维复合材料在世界各国的发展进程中起到非常重要的作用,不仅在军Y领域中具有不可替代的地位,而且在民用领域中也有着广泛的应用。以碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料在风能发电叶片、石油开采和压缩天然气储存等新能源领域中有着重大作用。为响应全球的“低碳环保”活动,碳纤维复合材料在新能源领域的应用更是值得大力推广。

  1.在风能发电叶片中的应用

  风能是大自然的可再生资源,取之不尽,用之不竭。风力发电机叶片正朝着大型化方向发展,最长的风轮叶片已达到61.5 m,一般叶片自重12~18t,这对材料的比强度、比刚度和耐疲劳性提出了更高的要求。大部分的玻纤复合材料叶片已无法满足叶片大型化、轻量化的要求,玻纤复合材料叶片在苛刻条件下的临界长度大约是60m。

  碳纤维复合材料的比强度约为玻纤复合材料的2倍,比模量约为玻纤复合材料的3倍,故采用碳纤维复合材料能够增加叶片的临界长度,适应了叶片大型化的要求;此外,碳纤维的密度是玻璃纤维的0.7倍,适应了大型叶片轻量化的要求。使用碳纤维复合材料叶片代替玻纤复合材料叶片,成本可降低14%;另外,由于碳纤维具有优异的导电性能,故对碳纤维复合材料叶片进行某些特殊的防护设计,可避免雷击对叶片造成的破坏,从而可延长碳纤维复合材料叶片的工作寿命。

  2.在抽油杆及钻井平台中的应用

  全球机械自动化采油井数为总生产井数的90%,而80%左右的机械自动化采油井都采用杆泵抽油模式,其中抽油杆是该系统中的关键部件之一。

  传统金属抽油杆质量大、耐腐蚀性和抗疲劳性能较差,如果不能及时对金属抽油杆进行维护,则可能在采油过程中发生事故。碳纤维复合材料 抽油杆是近年来兴起的一种新型柔性抽油杆,与传统抽油杆相比,其具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温及操作速率快等优异性能。

  据统计,我国井深在2500 m以上的油井约占总井数的10%,特别是新疆沙漠地带的油田,井深都在2500m以上,并且井矿中除了酸盐、碱盐外,还出现了硫化氢和氯化氢等腐蚀性气体。而采用碳纤维复合材料制作的抽油杆完全可以应用在这些苛刻环境中,使采油作业效率大大提高,其在超深井和腐蚀井原油开采中得到广泛应用,这也是现代石油开采技术的一大突破。

  3.在汽车工业中的最新应用

  根据全球汽车工业发展的趋势来看,安全、低碳和环保的汽车已成为21世纪汽车发展的主流,而汽车轻量化则是解决这个问题的核心。由于碳纤维复合材料具有轻质高强、耐腐蚀性和抗冲击性强等特点,与钢材、铝材及其他金属合金相比,其设计自由度更大、成型更加容易,因而碳纤维复合材料正日益成为汽车轻量化的首选材料。

  由于碳纤维复合材料具有其他材料无法比拟的性能,碳纤维复合材料成本的降低有利于拓宽其在其他新领域的应用(如压力容器、海洋领域、建筑和医疗设备等)。新能源产业、汽车产业和航空航天产业仍将是碳纤维复合材料最重要的应用领域。