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为什么碳纤维这么贵?

时间:2021-05-06点击次数:65信息来源:Rev1

公认的是,碳纤维由于其强度特性和较轻的重量而越来越多地用作其铝,钢和多种其他材料的替代品。随着材料科学和制造技术的不断发展,其多功能性,高性能和可定制的功能只会增加看似无限的用途。

从表面上看,与钢和铝直接相比,碳纤维的高昂成本似乎是阻碍其更广泛采用的障碍。但是,与其他材料相比,使用碳纤维对简单的成本影响更大。

加工和规模经济

由于就其相对强度而言,碳纤维与金属的比较最多,因此它们的生产方法也大不相同。诸如钢和铝之类的金属是从原始矿石中提取出来的,然后直接转化为最终产品,或作为散装材料提供,随后再成型或制成最终产品。这些技术是经过时间考验的标准化过程,已经发展了数百年。

相比之下,碳纤维生产是一个相对较年轻的过程。它使用化学和机械过程控制有机聚合物的原子组成,以绘制长且细的5-10 µm直径的线束。然后将成千上万的这些线束嵌入稳定的环氧树脂基体中,以形成复合材料。制造商根据特定应用的特定强度和机械要求,使用专有配方和材料组合来生产各种复合材料。整个过程非常耗时,需要分几个步骤进行仔细控制和质量监控,以实现每个独特应用程序的设计性能要求。

从体积的角度来看,碳纤维是相对专业的,具体取决于最终产品或预期应用的性能要求。定制设计通常用于专门解决任何给定项目的材料需求。制造商提供的“标准产品”很可能是取代金属或其他材料以提高性能的独特设计挑战,但可能会为市场提供更广泛的采用。

金属通常被视为商品,其市场价格由供求关系决定。在民用项目或造船中大量使用钢材会对规模经济产生明显影响。全球钢铁和铝的全球产量以百万吨计,其中碳纤维为数千吨。碳纤维在航空航天工业中的广泛采用正在缩小这一差距。但是,在无法使用碳纤维或无法从其更高性能中受益的应用中,将大量生产金属。

投资回报率(ROI)与成效

金属的材料特性和将其整合到最终用途中是众所周知的,并且基于历史经验和广泛使用。在任何给定应用程序的设计中,它们的材料特性,性能和成本通常是可以预测的。碳纤维的定义不明确。

由于航空或航天器重量的显着减少,因此航空航天工业权衡了使用碳纤维的费用与较长飞行范围的性能优势之间的权衡。从长远来看,与碳纤维相关的溢价不被视为制造成本,而是就投资回报率而言的长期利益。工业自动化权衡了每件成本,而轻质材料的优势在于提高了生产线速度,减少了电动机和执行器的磨损和负荷,并降低了能耗。鉴于获得了巨大的收益,碳纤维的使用不仅是材料成本与最终产品的生命周期价值和性能之间的简单计算。

在将高级材料(例如碳纤维)设计到项目中时,工程师必须确定对于特定应用最重要的材料属性及其对产品成本与性能的影响。

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