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國產高分子碳纖維為冬奧冰雪健兒們“錦上添花”
2022年02月18日 11:17:29
來源：化工儀器網 作者：羊舌木 點擊量：6817
碳纖維不僅能用在制造航天航空等高科技材料，在這一次的北京冬奧會中，高分子碳纖維也同樣大放光彩。
【化工儀器網 時事熱點】碳纖維是一種高強度高模量的纖維，其含碳量達到90%以上，具有耐高溫、抗摩擦、導熱、導電以及耐腐蝕等優點，由于其石墨微晶結構沿纖維軸擇優取向，因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。碳纖維既具有碳材料的固有本性特征，同時又兼備紡織纖維的柔軟可加工型，是新一代的增強纖維。
碳纖維是一種重要的戰略新材料，從“十一五”開始，科技部持續支持，解決了尖端國防應用原材料“卡脖子”的瓶頸。我國嫦娥五號探月、天問一號火星探測以及空間站建造等重要任務使用新型火箭長征五號、長征七號，有不少部段就采用了中國航天研發的新型碳纖維復合材料，從而確保火箭載荷更大、更安全可靠。
碳纖維不僅能用在制造航天航空等高科技材料，在這一次的北京冬奧會中，高分子碳纖維也同樣大放光彩。由于碳纖維質量輕、強度高的特點，無疑是組成眾多冰雪競賽裝備和冬奧村生活設施的重要材料之一。同時，不僅將碳纖維應用于航空航天領域，讓碳纖維加入到我國自主生產的體育器材中，也是為碳纖維的多樣性提供了成功的案例。
我國首臺碳纖維雪車突破技術難題
如雪車等高端冰雪競技的裝備的技術及工藝，在此之前都是被國外所壟斷。中國科技部的“科技冬奧”專項就此設立了“冬季項目碳纖維復合材料高性能器材關鍵技術項目”，項目組從2019年11月起，各個部門相互合作，共同克服了底子薄的弱點和新冠疫情的影響，于2021年1月研制出了第一臺國產碳纖維雪車。這第一輛國產碳纖維雪車，填補了我國碳纖維雪車的空白，并且現了從“0”到“1”的突破。
國產雪車結合航天的風洞實驗和結構設計技術，使得系統優化，實現了流線化舵面車身，其風洞測試結果與國際同類產品相比下，風阻系數降低了8%。并且項目組采用了國產宇航機的T800碳纖維復合材料，這種材料的密度僅有鋼的1/5，而強度卻是鋼的2倍，能最大幅度地減輕雪車車身的重量，降低雪車重心，使雪車滑起來平穩。
不僅如此，項目組為確保雪車的安全性，還采用了航天的熱壓罐技術，通過對車體加熱加壓，原本柔軟的復合材料中間體就會完全固化，成為堅硬結實的車體。熱壓罐技術下的檢測結果是缺陷小于1%。
碳纖維復合材料的優勢不僅在于質量輕、設計自由度大，還在于疲勞強度大、破損安全性能好。碳纖維復合材料在百萬次疲勞后，強度保留率仍達90%，遠高于鋼材的40%，而且復合材料中纖維的斷裂不會引起連鎖反應和災難性急劇破壞，是對競賽中運動員的絕佳保護。
速滑冰鞋采用國產3D打印碳纖維
以往速滑運動員定制冰鞋主要依靠采集運動員石膏腳模來實現，存在采集過程復雜、效率低、冰鞋制造時間長等問題。而三維掃描技術和足底3D打印技術的結合，能夠很好的解決以上問題。該項目通過大量采集速滑運動員的足底數據，并對數據反復進行修整、對比和驗證，最終得以實現足底數據與冰鞋制造的高度契合。
同時速滑冰鞋的定制還采用了高性能碳纖維復合材料，在提升冰鞋性能的同時，實現了輕量化生產，有助于提高運動員的競技表現。在與國內高端速滑冰鞋相比較，碳纖維冰鞋重量減輕3%-4%，冰鞋剝離強度提升7%。
碳纖維和航天樹脂制成超輕碳纖維冰球桿
碳纖維球桿是通過制作碳纖維布時混入流體成型劑的工藝方法，并將流體成型劑的流動性降到預設閾值以下，使得碳纖維布的誤差能夠控制在±1g/㎡到1.5g/㎡之間。隨后再將碳纖維布制作的碳纖維球桿基材放入球桿模具之中，模具的充氣壓力控制在18000Kpa至23000Ka，并對碳纖維球桿基加熱，以使冰球桿成型。
采用了航天樹脂和碳纖維的冰球桿由于流體成型劑附著在碳纖維布表面的原因，不僅保障了冰球桿的韌性，同時也提升了球桿整體的結構強度，使運動員在揮打時不易出現球桿開裂或是折斷的情形。
（資料來源：科技日報、北京青年報）
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