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復合材料在節(jié)能和能源開發(fā)中的應用

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-05-13  來源:復材在線  瀏覽次數:35
核心提示:復合材料具有輕質高強及許多功能性能,已在航天航空、國防軍工、及國民經濟各部門得到廣泛應用,同時復合材料眾多的優(yōu)異性能使復合材料在節(jié)能和能源開發(fā)方面起著不可替代的作用。

     以合成樹脂為基體,以玻璃纖維(或碳纖維等)為增強材料組成的復合材料(俗稱玻璃鋼,是復合材料的典型代表)。復合材料具有輕質高強及許多功能性能,已在航天航空、國防軍工、及國民經濟各部門得到廣泛應用,其增長速度比其他領域快。復合材料特點如下:

      輕質高強

      玻璃鋼復合材料的比重只有1.4~2.0,即只有普通鋼材的1/4~1/6,比鋁還要輕1/3,而力學性能卻能達到或超過普通碳鋼的水平;若以比強度(單位密度的強度)來衡量,則超過現(xiàn)有的許多材料(合金鋼、鋁合金及鈦材等)。這對要求減輕自重,節(jié)能型的產品具有重要意義。

      優(yōu)良的電性能

      玻璃鋼復合材料在高頻作用下仍能保持良好的介電性能。如用玻璃鋼制作2.5萬~15萬千瓦汽輪發(fā)電機的轉子絕緣,不僅絕緣層厚度減少30%,而且擊穿電壓增加15%~25%。

      優(yōu)良的熱性能

      其比熱大,是金屬的2~3倍;導熱系數低,是金屬材料的1/100~1/1000。某些品種的耐瞬間高溫性能十分突出,如酚醛高硅氧布玻璃鋼,在遇極高溫時,產生碳化層,可有效保護火箭、導彈、宇宙飛船在穿過及重返大氣層時需承受的瞬間5000~10000K的高溫高速氣流的作用。

      良好的耐腐蝕性
      其他
 
      良好的抗磁、隔音、美觀及工藝性優(yōu)良、可設計性好等。
      上述的優(yōu)異性能,使復合材料在節(jié)能和能源開發(fā)方面起著不可替代的作用。
      一、應用于汽車結構件發(fā)揮節(jié)能作用
      輕量化是汽車發(fā)展的重要方面,是汽車節(jié)能的重要手段之一。目前開發(fā)的新能源汽車,如電動汽車、氫能汽車、太陽能汽車等,輕量化具有特別重要的意義。設計新穎結構,采用輕質高強材料,是實現(xiàn)汽車輕量化重要途徑。高性能復合材料的應用使汽車“輕量化”上升到一個新水平。用該材料取代金屬,可將許多零件組合成單個部件,形成功能化模塊裝配汽車,例如全塑結構的轎車總重1255公斤,而用鋼結構轎車平均重量為1825公斤,二者比每輛車減輕570公斤,將意味可節(jié)約燃料消耗25%左右,節(jié)能效果相當顯著。簡言之有以下優(yōu)點:

      1、節(jié)約制造成本。設計上可減少一半裝配件、汽車總制造成本下降。
      2、使用壽命長和維護方便。
      3、明顯節(jié)約能源:一方面汽車自重減輕,減少燃料消耗,另從制造角度出發(fā)也降低了能耗,見表1。

           表1 制造一個汽車零部件所需能量比較(%)
 
牌號
對比材料
不銹鋼
鋁鑄件
鎂鑄件
鑄模澆注件
FRP(SMC)
60
48
35
30
67
      注:所有金屬制品消耗能量各為100%來比較。
      二、復合材料在高速列車上的應用
      在火車車廂制造領域早已應用復合材料,如雙層玻璃鋼車廂等。隨著火車的提速,特別是出現(xiàn)高速列車后,復合材料正成為越來越重要的一類材料。列車車體結構的重量在整列車中所占的比例較大。因此,提高列車速度要解決列車輕量化,就必須先考慮車體結構的輕量化。過去人們習慣把鋁合金作為車體輕量化的首選材料,由于輕量化的要求越來越高,于是人們把目光注意到復合材料上來。復合材料除用作內部設備的裝飾材料外,在承重結構上的應用也越來越廣泛,用復合材料制成的構件,重量輕、強度高、剛性大,是一種理想的結構件。主要應用有:意大利ETR500高速列車的車頭,法國國營鐵路公司(SNCF)的雙層TGV掛車,德國Dainier Benz 集團的轉向架構架、車軸、車輪;日本新干線的高速列車中,采用復合材料制作的車窗內飾、洗漱間、廁所、小便池、水箱、集便箱、車前頭蓋板、雙層客車兩端頂、兼作空調風道的天花板,以及早已應用的軌枕等等。

      三、在風能方面的應用
       風能是綠色、環(huán)保、可再生能源,與生俱來,與天同在,取之不盡,用之不竭。風力發(fā)電是新能源中開發(fā)較早、應用廣、技術最成熟的可再生清潔能源。早在1891年在丹麥建立了首個發(fā)電風場。隨著風力發(fā)電技術的成熟,制造成本的不斷下降,發(fā)電成本也逐年下降,加上各國政府的政策扶持,自上世紀70年代世界石油危機以來,風能資源的開發(fā)利用逐步得到發(fā)展。尤其到90年代,隨著科學技術的進步,風力發(fā)電從可再生清潔能源中脫穎而出,成為最具有工業(yè)開發(fā)價值的一種新能源,世界風電正以迅猛的速度發(fā)展。1994~2000年,全世界風電裝機容量年平均增長率為31%。2001年全球風電增長38%。2005年,全世界風電的總裝機容量為59322MW,中國1260MW,排名世界第八、亞洲第二,落后于印度。2006年《中華人民共和國可再生能源法》開始執(zhí)行,鳳電產業(yè)飛速發(fā)展,新增裝機容量1337MW,比過去20年的累計數量還多。2006年,中國除臺灣外累計風電機組3311臺,裝機容量2599MW,年增長率達105%,由世界第八位躍進到第六位。據國家發(fā)改委的計劃安排,我國的裝機容量2010年達5000MW,2015年達15000MW,2020年達30000MW。擬占當時國內總發(fā)電量的15%左右。歐洲風能協(xié)會的風能目標是到2020年,全世界的裝機總容量為150000MW?,F(xiàn)在風能發(fā)電成本已下降到1980年的1/5,加上對低發(fā)電成本和環(huán)保要求的提高,風能發(fā)電在商業(yè)上將完全具有很強的競爭能力。

       在發(fā)電設備中風力發(fā)動機的葉片是關鍵部件,約占總成本的15~20%。目前大型風力發(fā)動機的葉片基本上由各種復合材料制成,因此,葉片技術與復合材料技術密切相關。同時復合材料還用在機艙罩、輪轂、塔架等部位。目前,為降低發(fā)電成本,要求單機容量越來越大,葉片越來越長,據說葉片每增長6%,捕獲的風能可增加12%。因此,世界上已在研發(fā)5MW以上,長達50米以上的葉片,更進一步將向7~10MW、長達60米以上的葉片發(fā)展。葉片大型化的同時,還要求輕量化、低成本化和高性能化,即滿足安全、可靠和壽命的前提下要求質量輕、成本低、功率高。為此要進行設計、材料體系和制造技術上的系列革新。目前我國的風機葉片技術已制造1.5~2.0MW,長達35~37米的葉片,研發(fā)計劃向2.5~3.0MW、長達40米以上的葉片前進。

      復合材料葉片主要用的材料體系包括各種增強材料(E•S玻纖、聚乙烯纖維、碳纖維等)、基體材料(聚酯、環(huán)氧、乙烯基等)、泡沫塑料、膠粘劑和各種輔助材料等。

      制造工藝從濕法手糊、干法鋪設、直到RTM(樹脂轉移模塑法)。RTM法中又進一步發(fā)展為VARTM(真空輔助RTM)和SCRTMP(西曼復合材料焙塑成形法)。

      葉片設計包括氣動外形設計和結構設計,還有防雷擊系統(tǒng)設計等。葉片向輕量化和智能化發(fā)展:材料上開始逐步使用碳纖維,采用混雜復合材料,設計上革新葉片的氣動外形,改進設計準則,精確載荷分析,發(fā)展專用的設計分析軟件等;制造工藝上開始采用自動下料機、自動鋪層技術,加速制造的自動化進程,降低生產制造成本等。最近提出葉片新的研發(fā)理念,叫作“未來葉片的觀念”(Future Blade Concept),集中在要捕獲更多的風能,并使之智能化、更可靠、更耐用。
 
 
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