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中国制造2025与竹纤维应用预测
来源:竹纤维产业网
    
    国务院印发《关于中国制造2025的通知》中明确提出了新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、生物医药及高性能医疗器械等十个重点发展领域,据竹纤维产业网预测,竹纤维在这些领域中将会有不同形式的应用。
    竹纤维(BF),即竹原纤维,也称天然竹纤维,有别于化学竹粘胶纤维(竹浆纤维、竹炭纤维),是从竹子茎部取得的韧皮纤维,采用机械物理分丝、化学或生物脱胶、开松梳理相结合的方法直接从竹材分离制取的天然纤维,是继棉、毛、丝、麻之后的世界第五大天然纤维。
    竹纤维作为重点基础材料,是一种性能优异的高分子材料,可广泛应用于纺织、非织造、复合材料、建筑材料、环保材料等生产领域。虽然应用成本比传统金属材料要高,但是在提升产品性能、加速产业提质升级方面有着特殊意义。
    航空航天装备与竹纤维
    加快大型飞机研制,开发先进机载设备及系统,形成自主完整的航空产业链,发展新一代运载火箭、重型运载器,提升进入空间能力,推进航天技术转化与空间技术应用是中国2025制造整体战略对航空航天装备事业提出的总体目标。
    从过去的十年来看,先进复合材料(Advanced Composites,ACM)多以满足航空航天需要为主,目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、竹纤维、芳纶等增强的复合材料。ACM特别在航空航天等军事上的应用价值很大,比如,军用飞机和卫星,要又轻又结实;军用舰船,要又耐高压又耐腐蚀。这些苛刻的要求,只有借助新材料技术才能解决。
    竹纤维复合材料具有质量轻、较高的强度和模量比、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振等特性,可应用于减速板、垂直和水平稳定器、方向舵、升降舵、起落架舱门、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱等部位的材料,预计今后在机体中的复合材料部件使用上越来越大。
    海洋工程装备、船舶与竹纤维
    高性能纤维将成为深海探测及深海油田气开发中必不可少的材料,可开发的产品包括脐带管加强杆、锚泊系缆、采油立管、柔性立管等结构件,在深海石油平台上的应用将会越来越多。
    油气田生产深度一般在3000m 以上,勘探深度在4000m 以上,油气田结构件设计必须达到25年免维护的标准。传统海上油气田相关用材为钢材,如将平台锚固到海底的系缆和连接油井口到平台的管缆。钢制绳索和管子的重量增大了平台的漂浮尺寸,增加能耗。钢材在海水的浸泡下也极易腐蚀,工作寿命只有两到三年,周期性检修和管缆维护成本极高。相比之下,竹纤维复合材料的性能具有明显的优越性,例如一个1500m水深的作业平台,钢制绳索重约6000t,而改用竹纤维复合材料质量可能仅有1500t。另外,其高强度、高模量、优异的抗疲劳性和耐腐蚀性,使其工作寿命显著增加,极大地减少了维护成本。
    在高技术船舶中,竹纤维复合材料的应用也在逐步发展,如竹纤维艏侧推水密盖板等船舶结构件的开发和利用,对船舶在速度和能耗方面都有显著的影响。
    先进轨道交通装备与竹纤维
    中国2025通知中提出,将加快新材料、新技术和新工艺的应用,重点突破体系化安全保障、节能环保、数字化智能化网络化技术,研制先进可靠适用的产品和轻量化、模块化、谱系化产品作为研发新一代绿色智能、高速重载轨道交通装备系统,建立世界领先的现代轨道交通产业体系的主要途径。
    竹纤维完美演绎“节能环保”与“轻量化”两个概念,比如,轨道车辆中的车头罩座椅骨架、转向架等车体结构件及墙板、顶板、间壁、座椅骨架、司机台等内饰部件都可以使用竹纤维复合材料,轻量化在实现车体大幅度减重的同时,减少燃料使用和废气排放,提升车速。竹纤维复合材料本身的高强度、高拉伸载荷力以及极小的变形性也在一定程度上保障了车体安全。
    节能、新能源汽车与竹纤维
    电动汽车、燃料电池汽车的发展在中国制造2025战略路线中继续得到了支持,战略要求其以更完整的工业体系和创新体系,推动自主品牌节能与新能源汽车同国际先进水平接轨。新能源汽车必须要有更大的应用力度,因为其在降低自重、降低油耗,减少噪声方面有更强的需求,特别是在减少污染和能耗方面,这也是新能源车区别于传统汽车的价值与意义所在。而竹纤维复合材料因其具有轻质、高强度、高刚度等优良性能,成为汽车生产商开发新车部件的重点关注材料。
    据竹纤维产业网研究表明,在汽车上使用竹纤维复合材料具有诸多优点:竹纤维内饰板在发生事故时,因竹纤维独特韧性而不易损坏,制成的成品可使最终重量减轻20%以上,会大大降低汽车油耗和废气排放,完全可以替代玻璃纤维复合材料和提高内饰板的综合性能;此外,其加工工艺简单,可减少生产工序,特别是避免了化学纤维自身生产过程中对环境的污染。
    近年来,在汽车中应用的基于天然纤维复合材料的零件已超过40种,而国内外也开发出多种车用竹纤维增强复合材料,已经试生产的产品有内饰板、顶棚、行李厢、衣帽架、座椅背板、仪表盘、隔热/音和阻尼材料等。
    汽车工业的发展日益向着轻量化、环境保护、节约能源的方向发展。竹纤维增强复合材料作为重要的汽车轻质材料,还可以在一定程度上改善和提高单一常规材料的力学性能、物理性能和化学性能,并能解决在工程结构上常规材料无法解决的关键性问题。作为汽车部件一种新的加工原料,竹纤维增强复合材料将成为今后的发展趋势。
    电力装备与竹纤维
    根据中国制造2025的通知精神,新能源和可再生能源装备、先进储能装置、智能电网用输变电及用户端设备发展将得到大力推进。
    风电产业作为绿色发展的重要体现,是经济增长重要支柱、科技创新重要领域,已成为国家加快发展的战略新兴产业,叶片作为风电机组的核心部件尤其受到关注,未来的技术方向主要是可回收热塑性树脂、重量更轻的原材料,比如竹纤维。
    在可再生能源装备方面,竹纤维应用较广的形式是作为风力发电叶片使用,其强度高、重量轻,是风力发电理想的材料。
    竹纤维及其制备的叶片具有强度高、韧性好、质量轻;竹纤维原料来源广、可再生,生产操作安全、低污染、低能耗;竹纤维叶片使用寿命长,废弃后可自然降解,绿色、环保性能突出。竹纤维复合材料的最大特点是具有可设计性,发展的方向就是轻质、高强、高模,在风电复合材料的应用还有很大的提升空间。
    农机装备与竹纤维
    中国制造2025战略要求重点发展大宗粮食和战略性经济作物育、耕、种、管、收、运、贮等主要生产过程中使用的先进农机装备,加快发展高端农业装备及关键核心零部件,提高农机装备信息收集、智能决策和精准作业能力。
    作为农业大国,如何集中有效地检测农作物生长情况以及喷洒农药是高端农业装备正积极解决的问题之一,具有节约农药使用量、作业精度高,防治效果好的农用植保机能通过远距离遥控操作的方式,帮助喷洒作业人员避免直接接触农药,提高了喷洒作业安全性,并以更精准的方式在很大程度上降低资源成本。用于农业监测的无人机能及时、准确地掌握农作物生长情况,为农业措施提供可靠信息。
    竹纤维桨片、竹纤维机壳、竹纤维壁管等竹纤维复合材料将成为无人植保机制造的主流材料。比重仅为钢四分之一的竹纤维复合材料,柔韧性好、比强度高,抗拉强度却是普通钢材的10倍以上,具有优异的抗蠕变和抗震性,同时具有良好的耐久性和耐腐蚀性,对耐酸、碱、盐及大气环境的腐蚀都有一定的承受性,将有效延长无人机的使用寿命。
    高性能医疗器械与竹纤维
    作为国计民生的关注焦点,医疗器械产业成为中国制造2025战略要点之一。其强调,必须提高医疗器械的创新能力和产业化水平,重点发展影像设备、医用机器人等高性能诊疗设备和医疗产品。
    随着世界范围内肿瘤病患者的日益增多,放射性医疗设备的需求量迅速上升,放射性诊断及治疗设备随着技术发展已逐渐向放射剂量小及成像分析数字化的方向靠拢,在放射性医疗设备及辅助器械的使用上,要求相关配件对X射线透过性能好,在满足使用的前提下,尽可能地降低放射性物质对患者以及医护人员的危害,与此同时,这些配件的强度以及耐用性还要满足设备使用的高频度要求,在质量、卫生性、可靠性和精度方面都需符合高标准医用设备的标准参数。
    竹纤维复合材料具有满足以上各项要求的优异性能,因此,未来竹纤维在放射性头托、床面板、放疗定位架、乳腺机支撑板、DR平板探测器等医疗器械和诊疗设备在临床中将得到越来越多的应用。