碳纤维的造价为什么这么高?


众所周知,我国将于2022年建成的天宫空间站,在尺寸上比现有国际空间站小了一号,之所以会出现这种情况,并非是中国造不出更大的太空舱,而是出于成本考量。

因为这玩意成本实在是太高了,每年中国都要在航天领域砸进去至少60亿美元,预估每一枚“长征”火箭仅制造成本少说也在6000万美元以上,上限则可能高达将近2亿美元左右,而贵就贵在一种叫做碳纤维的材料上面。

碳纤维是一种十分神奇的新兴材料,它的重量轻过铝,却拥有着比钢铁更为坚固的强度,而且还具备耐高温,耐腐蚀,抗冲击,抗疲劳等优良特质,可以广泛应用于航空航天,建筑构筑,汽车工业等制造业领域。

碳纤维,顾名思义,就是用碳原子丝“编织”而成的材料,从微观来看,成千上万根碳原子丝就像麻绳一般绞缠成一条条丝束,24000根碳原子丝以上为大丝束,以下则为小丝束,一般来说,越小也就制造意味难度越高,应用的领域也就越尖端。

此前,作为一种国家战略层级的材料,我国虽然也能早出来,但高品质的小丝束碳纤维一直被日本东丽,东邦以及三菱等三家日本企业垄断着市场的绝大多数份额,并借此机会向我国高价出售,而用于航天工业的更高端的高模M系列小丝束碳纤维技术以及产品则更是被严格禁止进入中国。

还是那句话,感谢外国封锁,让我们不再受制于人,最近,国内碳纤维领域传来了好消息,精功集团有限公司研制的有效幅宽1米碳纤维微波石墨化生产线取得了重大突破,可以将常规碳丝微波石墨化处理,从而提高百分之十五的模量以及强度,最终产出T800以上品质的产品。

该生产线还能够提供中强高模,高强中模,以及高强高模等不同等级规格的碳纤维产品,应用领域十分广泛,比如航天事业以及国防工业,除了运载火箭以外,“东风”洲际弹道导弹的核心壳体材料便是由高性能小丝束碳纤维所制成。

碳纤维还有望应用于坦克装甲当中,当然不能直接把碳纤维打造成装甲,因为碳虽然可以和钢铁一样坚固,但是却不具备金属韧性,也就是说一点点破洞可能会导致整个块装甲的瓦解,可如果把它向贫铀装甲一样当做钢铁装甲里面的填充剂,就可以达到硬度和韧性的共存了。

飞机同理,但是飞机由于对武器防御并没有太高要求,因而碳纤维那又轻又坚固,耐腐蚀性的特性可以说简直就是为飞机外壳量身打造的,更轻的重量可以提高飞机的机动性,并降低噪音,还能节省燃油,可谓百利而无一害,当然,这都是普通碳纤维的应用领域。

精功集团有限公司这次的研发成果,主要关键在于微波高温石墨化技术,这项技术可以从低档次碳纤维中生产出大丝束,中高模量的碳纤维,减少七成能耗,直接降低三成成本,并即将应用到运载能力超过二十吨的“快舟”二十一号火箭的碳纤维发射筒体上面。

虽然我们尚未掌握更高端的高模M系列小丝束碳纤维技术,但是在千吨级别大丝束碳纤维项目,也就是航天火箭壳体这种项目当中,仍将在很大程度之上降低火箭的制造成本,凭借这项技术,中国航空事业将会减少一个障碍,为未来夺得先机。

但是我们依旧得保持清醒,技术难度相对较低的大丝束碳纤维技术虽然已经被我国成功突破,可目前仍然处在试生产的阶段,日本等该领域的老牌强国为了遏制我们的发展,正在大幅度降低碳纤维的报价,所以即使是大丝束碳纤维,情势依旧不容乐观。


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之所以认为碳纤维神秘,主要是人们很少关注碳纤维材料,宣传普及不够,所以在多数人的认知中有些神秘。其实,它作为一种具有优异特性的新材料,已经应用到了各个行业。当前的碳纤维球拍、碳纤维钓鱼杆、碳纤维自行车、碳纤维电动汽车、碳纤维手提电脑、碳纤维机壳手机、碳纤维办公家具、碳纤维运动器材、碳纤维假肢、碳纤维CT床,等等。

碳纤维材料的广泛应用,标志着材料发展史的一个全新的阶段。而碳纤维的神秘感还来自以下的几个方面:

1.物以稀为贵

以前碳纤维材料作为军工国防、航空航天的重要材料与物资,碳纤维一直处于供不应求的状态,价格也自然居高不下,国内用量的80-90%靠进口。这就直接导致碳纤维自行车的高价处境,高时每千克达到5000元。近些年随着碳纤维产量的提升,包括进口碳丝的价格也不断下降,目前有的碳丝价格可以低至150元/kg。但是没有企业去宣传碳丝的真实价格。

2.工艺复杂,手工打造

制作碳纤维自行车架模具的费用比较高昂,一个碳纤维自行车车架的钢制模具一般需耗用模具费用几十万元,分摊到每件产品上的成本也远高于一般产品。

生产一个碳纤维自行车架需要碳纤维片材约800多片,需要逐一按设计的次序和尺寸铺排叠层,非常耗用人力。产品整个成型过程全部由富有经验的工程师指导专业铺料员工逐一手工打造。整个过程宛如制造“瑞士精工手表”,严谨、专业。

另外,从碳丝原材料制造成一台碳纤维自行车的车架成品,需要长达15个工作日才能完成整个流程,分解的工序达60多个岗位才能完成,专业工厂人均每月能制造的碳纤维自行车车架约为6-8台,人工费用不菲。

3.检测难度大

碳纤维自行车产品的优劣识别难度大。消费者无法从色泽、重量、外观上看到产品的质量问题,只有通过破拆的方式检验车架、轮组的制造性能。消费者不可能通过感官来鉴定产品优劣。