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国产高分子碳纤维为冬奥冰雪健儿们“锦上添花”

发布时间:2022-05-23 12:28:55   来源:OB欧宝娱乐官方网站入口 作者:ob欧宝娱乐app下载

  碳纤维是一种高强度高模量的纤维,其含碳量达到90%以上,具有耐高温、抗摩擦、导热、导电以及耐腐蚀等优点,由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向,因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维既具有碳材料的固有本性特征,同时又兼备纺织纤维的柔软可加工型,是新一代的增强纤维。

  碳纤维是一种重要的战略新材料,从“十一五”开始,科技部持续支持,解决了尖端国防应用原材料“卡脖子”的瓶颈。我国嫦娥五号探月、天问一号火星探测以及空间站建造等重要任务使用新型火箭长征五号、长征七号,有不少部段就采用了中国航天研发的新型碳纤维复合材料,从而确保火箭载荷更大、更安全可靠。

  碳纤维不仅能用在制造航天航空等高科技材料,在这一次的北京冬奥会中,高分子碳纤维也同样大放光彩。由于碳纤维质量轻、强度高的特点,无疑是组成众多冰雪竞赛装备和冬奥村生活设施的重要材料之一。同时,不仅将碳纤维应用于航空航天领域,让碳纤维加入到我国自主生产的体育器材中,也是为碳纤维的多样性提供了成功的案例。

  如雪车等高端冰雪竞技的装备的技术及工艺,在此之前都是被国外所垄断。中国科技部的“科技冬奥”专项就此设立了“冬季项目碳纤维复合材料高性能器材关键技术项目”,项目组从2019年11月起,各个部门相互合作,共同克服了底子薄的弱点和新冠疫情的影响,于2021年1月研制出了第一台国产碳纤维雪车。这第一辆国产碳纤维雪车,填补了我国碳纤维雪车的空白,并且现了从“0”到“1”的突破。

  国产雪车结合航天的风洞实验和结构设计技术,使得系统优化,实现了流线化舵面车身,其风洞测试结果与国际同类产品相比下,风阻系数降低了8%。并且项目组采用了国产宇航机的T800碳纤维复合材料,这种材料的密度仅有钢的1/5,而强度却是钢的2倍,能最大幅度地减轻雪车车身的重量,降低雪车重心,使雪车滑起来平稳。

  不仅如此,项目组为确保雪车的安全性,还采用了航天的热压罐技术,通过对车体加热加压,原本柔软的复合材料中间体就会完全固化,成为坚硬结实的车体。热压罐技术下的检测结果是缺陷小于1%。

  碳纤维复合材料的优势不仅在于质量轻、设计自由度大,还在于疲劳强度大、破损安全性能好。碳纤维复合材料在百万次疲劳后,强度保留率仍达90%,远高于钢材的40%,而且复合材料中纤维的断裂不会引起连锁反应和灾难性急剧破坏,是对竞赛中运动员的绝佳保护。

  以往速滑运动员定制冰鞋主要依靠采集运动员石膏脚模来实现,存在采集过程复杂、效率低、冰鞋制造时间长等问题。而三维扫描技术和足底3D打印技术的结合,能够很好的解决以上问题。该项目通过大量采集速滑运动员的足底数据,并对数据反复进行修整、对比和验证,最终得以实现足底数据与冰鞋制造的高度契合。

  同时速滑冰鞋的定制还采用了高性能碳纤维复合材料,在提升冰鞋性能的同时,实现了轻量化生产,有助于提高运动员的竞技表现。在与国内高端速滑冰鞋相比较,碳纤维冰鞋重量减轻3%-4%,冰鞋剥离强度提升7%。

  碳纤维球杆是通过制作碳纤维布时混入流体成型剂的工艺方法,并将流体成型剂的流动性降到预设阈值以下,使得碳纤维布的误差能够控制在±1g/㎡到1.5g/㎡之间。随后再将碳纤维布制作的碳纤维球杆基材放入球杆模具之中,模具的充气压力控制在18000Kpa至23000Ka,并对碳纤维球杆基加热,以使冰球杆成型。

  采用了航天树脂和碳纤维的冰球杆由于流体成型剂附着在碳纤维布表面的原因,不仅保障了冰球杆的韧性,同时也提升了球杆整体的结构强度,使运动员在挥打时不易出现球杆开裂或是折断的情形。

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