新型装饰材料（共12篇）
新型装饰材料 篇1
合成石又称人造石、再造石, 是一种装饰材料在中国非常流行[1]。在市场上有许多类型的合成石产品, 其中常见的一类合成石, 采用天然石材碎粒与不饱和聚脂树脂混合[2], 浇铸成石, 然后再采用磨削方法 (加工天然石材的方法相同) , 加工成各种规格的合成石材, 其具有致密的结构, 自然的纹理图案, 耐磨性能好, 抗折强度高于天然石材的2至3倍。适用于各类装饰建筑物内外墙面, 室内地面及设施, 还能充分利用石材碎料, 节约石材资源, 没有污染, 没有放射, 是一种新型环保装饰石材料。
新型耐磨人造石是以高性能的树脂为基料, 经搅拌天然矿物粉、有机质粒子、色料、助剂、催化剂等, 浇注而成型的高分子聚合物, 它有极高的固化度, 坚韧耐磨, 质地细密的特点, 俗称“合成石”。由天然石材碎粒的颜色决定这类“合成石”的色泽及样式, 而自然界中天然石材碎粒的花色单一、式样较少, 推广应用也就受到限制。因此, 本研究使用人工着色的彩色石粒为原料, 会增加“合成石”的颜色及纹理。这样可以制成色泽丰富、性能完美、图案纹理多样、价格合理的彩色合成石。既保持了天然石的质感, 又突破了普通合成石在色泽及纹理上的局限。
1 生产工艺
1.1 原料
1) 基料:邻苯型不饱和聚脂树脂;人工着色彩色石粒, 粒径为1至5mm, 根据合成石花纹的要求, 确定彩色石粒的大小。为丰富彩色合成石的色彩, 也可以同时选用3至4种深浅各异的石粒混配;天然石粒:采用云石或大理石碎粒, 粒径为2至5mm。2) 填料:大理石粉、云石粉、氧化铝等, 粒度为30至50µm。3) 促进剂:异锌酸钴或环烷酸钴。4) 引发剂:过氧化环己酮或过氧化甲乙酮。5) 助剂:硅烷偶联剂
1.2 工艺流程
1) 将树脂、填料、天然石粒、引发剂、促进剂、助剂按比例混合, 倒入搅拌器中, 搅拌均匀, 将搅拌好的物料倒入模具中, 按设计所需厚度铺平, 形成彩色合成石层;
2) 放置已浇铸好物料的模具在振荡台上, 不断振荡除去气泡, 然后在30℃~35℃环境中将压实物料的模具放置1至2小时, 初步固化成型后, 再将其放入75℃~85℃的烘箱里烧烤2至3小时, 形成彩色合成石材。
1.3 工艺配方
树脂:15%~20%;天然石粒:50%~60%;填料:20%~30%;促进剂:0.1%~0.2%;引发剂:0.3%~0.5%;助剂:0.5%~1%。
1.4 生产设备
混料机、搅拌机、振动台、水磨砂光机、砂带定厚机、抛光机、切边机、贴膜机、破碎机、振动筛等。
2 制备合成石的影响因素
2.1 基料的选择
合成石的理化性能, 如耐热、抗冲击、翘曲、开裂、耐污染等受选择树脂与添加工艺的直接影响。一般树脂粘度控制在400~1500cps之间, 为了减少混合物料在胶凝前的沉降, 特别是有机质粒子的沉降, 为防止产品开裂、翘曲, 温度应控制在150℃以内, 使树脂的放热峰值不应太高;树脂应具有良好的浸润性, 断裂延伸率要求>3.0%。例如橱柜的台面板, 要求吸水率<0.06%, 因为经常与热品及各种食物接触, 所以合成石制品热变型的温度要高, 抗污染要好, 同时无毛细吸附。在树脂中添加螯合分散剂, 可以增强填料与树脂界面的结合力, 从而进一步降低毛细吸水率, 提高制品的耐污染性、抗冲击性。
2.2 填料的选择
加入填料可设计合成石的比重, 增加合成石的抗污染、抗燃及耐磨性。填料工艺处理适度得当, 合成石的致密性、抗冲击性及耐磨性能著提高。通常树脂合成石中的填料主要选用三氧化铝粉、大理石粉、云石粉、石英粉或滑石粉, 选用这些主要填料的合成石, 它的难燃性、抗污染性非常优良。同时我们又添加了具有补强功能的辅料, 如促进剂、引发剂、助剂等, 目的是进一步增强合成石的抗冲击韧性、耐磨性, 也进一步降低了合成石的吸水率, 提高了致密性。
2.3 合成石板材的加工
无缝拼接是彩色人造石的特点之一。但在加工中会出现这样或那样问题, 一些加工单位因缺乏专业培训, 常常以为是板材质量差或专用粘合剂有问题。其实拼缝明显与否, 主要是加工中出现的, 一是两块对拼的板, 其接触面本身刨的不够光滑平整, 二是对拼接触粘合的两个面, 浸润的不够充分, 三是粘合时夹具的紧固力度太小或工艺故障, 因此会出现不同程度的拼缝。建议加工中拼接处最好采用凹凸槽式加工为宜。
3 结语
本研究制备色泽丰富、图案纹理多样的彩色合成石, 采用人工着色的彩色石粒为着色原料, 浇铸成石, 一次成型的工艺特点, 制备的彩色合成石色泽丰富、性能完美、图案纹理多样、价格合理。既保持了天然石的质感, 又突破了普通合成石在色泽及纹理上的局限。可以根据用户的要求生产不同花色的品种, 是彩色合成石的主要优势, 还可以根据市场需求、当年颜色流行趋势及时开发新品种, 弥补以前原有合成石产品的缺陷, 如品种较少、花色单调。该研究可以为彩色合成石类产品提供新的品种。
参考文献
[1]黄海涛.人造石研究进展[J].石材, 2008, (5) :17.
[2]沈开猷.不饱和聚脂树脂及其应用[M].北京:化学工业出版社, 1996:436-437.
新型装饰材料 篇2
来源：金点艺术 网址： ECM意思：
金点公司与美国杜邦大力合作，引进杜邦的先进的技术，打造出轻型装饰复合建材（Engineered Composites Material简称ECM）。
ECM适用范围：
1.建筑内外墙装饰：公共艺术建筑、商业建筑、景观建筑、住宅、别墅等。
2.景观休闲设施：高尔夫球场、度假村、游乐场、公园、园林、乡村会所等。
ECM外墙装饰挂板产品是采用特种轻质硅酸盐材料；活性粒子渗透结晶防水材料等十几种材料科学配方加工而成。
ECM是目前建筑装饰造型的最新产品，ECM外墙装饰挂板通过工厂模块化的生产可以有效地减少安装时间，ECM外墙装饰挂板无限的色彩，配合其优秀的读模能力，可以塑造很多异型造型建筑；可以模仿几乎任何的建筑材料，包括各种石材、木材、金属板各种特性的材料。
ECM建材具有以下几个优势：
1.产品质轻且耐候性极好，韧性强、稳定性强、抗老化、防水、抗裂缝的优点；
2.造型多样、表现力丰富，ECM外墙装饰挂板具有很好的读模能力（塑型能力）此特性用于仿木纹、仿树皮、仿青竹紫竹、仿铜、红瓦、麻绳、藤编等材质，还可以仿（如澳洲砂岩、西班牙砂岩、黄洞石、黑洞石、各种木材、金属材料等不同的高档天然建材）； 3.防火（A级）、防水、防霉变、防白蚁；
4.安装方式便捷，可以像木头一样切割，钉，刨，钻孔或者粘结。
5.技术革新：产品本身可具有通体发色的特点，即达到产品持久，仿自然的逼真效果，又可以省去最后的涂装的材料费用以及人工成本；
ECM复合工程石及ECM复合工程保温材料施工方案
1、ECM复合工程石及ECM复合工程保温材料为无机材料，因此可以和无机水泥墙体基层完全粘合、湿贴
2、ECM复合工程石及ECM复合工程保温材料因为性能稳定，耐候性好，质地轻，不受施工环境气候影响，符合钢结构钢挂工艺。
我国新型墙体材料 篇3
关键词:新型墙体材料;建筑板材;建筑砌块;非粘土砖
墙体材料是我国建材工业的重要组成部分,目前我国墙体材料约50%~60%采用实心粘土砖。实心粘土砖块体小,质量重,施工效率低,不能满足建筑高层化、施工现代化的要求。粘土砖保温、隔热、吸声、装饰性能差,不能满足现代建筑多功能的要求。因此,从可持续发展、建筑节能等角度出发,开发出具有节能、节土、利废、环保、高强、空心、大块等特点的新型墙体材料刻不容缓!
一、我国新型墙体材料的现状
目前,主要分为三大类:建筑板材;建筑砌块;非粘土砖。
(一)建筑板材
建筑板材的种类较多,特点是轻质、高强、低能耗、多功能、便于拆装、施工效率高、减少墙体厚度、降低造价等。
1.GRC轻质多孔条板。以硫铝酸盐水泥轻质砂浆为基材, 以耐碱玻璃纤维或其网格布作为增强材料, 并加入发泡剂和防水剂等制成的具有若干个圆孔的条形板。密度小,耐水,韧性好,不燃,易加工。主要用于非承重内隔墙和复合墙体的外墙面。
2.硅钙板。由钙质材料、硅质材料与纤维等作为主要原料, 经制浆、成坯、蒸压养护而制成的轻质板材。密度低,比强度高,湿胀率小,防火,防潮,防蛀,防霉,加工性能好。主要用于隔墙与吊顶。
3.石膏板。装饰性较好, 表面平整光滑,能够调节室内温度和湿度。主要用于工业和民用建筑的非承重内隔墙。
4.复合墙体板材。当一种材料制成的板材不能满足墙体的功能要求时,由不同材料组成的复合墙体板材则用上场。复合墙体板材是将墙体结构材料和保温材料合二为一,具有轻质、高强、保温、隔音、防火等特点。
(二)建筑砌块
具有良好的保温隔热性;尺寸大、砌筑效率高;生产周期短、工艺简单,生产过程中可以充分利用工业废渣和地方资源,不破坏耕地、利于环保。
1.混凝土小型空心砌块。建筑砌块中较为常用的一个品种, 主要由水泥、细骨料、粗骨料和外加剂经搅拌成型和养护制成, 空心率不小于25%。具有强度高、耐久性好、保温隔热性好、施工速度快等优点。主要缺点:易破损、易产生收缩变形、块体较重。
2.粉煤灰砌块。以粉煤灰、石灰、石膏和骨料等为原料, 经加水搅拌、振动成型、蒸汽养护制成的一种密实砌块。主要用于工业与民用建筑的墙体和基础。
3.石膏砌块。以建筑石膏为原料,经料浆搅拌、浇筑成型、自然干燥或烘干制成的轻质块状墙体材料。具有良好的保温隔热性和防火性能,适用于框架结构或其他结构中的非承重墙体, 主要用作内隔墙。
(三)非粘土砖
1.孔洞率>25%的多孔砖、空心砖。该类砖孔洞率较大, 具有良好的保温隔热性,多用于建筑的隔断墙和填充墙。使用此多孔砖和空心砖,可以节约燃料、节约粘土、减轻墙体自重、降低造价、提高工作效率。
2.混凝土多孔砖。一种替代烧结粘土砖的理想材料,以水泥为胶结材料,以砂、石为主要骨料,经加水搅拌、成型、养护而制成的一种具有多排小孔的混凝土制品。生产能耗低,节土利废,自身轻,强度高,耐久性好,施工方便,保温效果好,收缩变形小,外观规整。用于各类承重、框架填充等不同建筑墙体结构中,具有广泛的应用前景。
二、我国新型墙体材料的弊端
新型墙体材料在我国的应用只有二、三十年,在发展中遇到了一些需要改进的问题。以下是目前我国新型墙体材料在发展中存在的弊端:
(一)品种单一、规格较少,如缺少窗框砌块、圆角砌块。
(二)抗震构造不完善,目前的砌块建筑抗震设防在7度以下。
(三)产品结构落后,粘土多孔砖、空心砖占多数,非粘土砖比例较低,因此仍需消耗大量的粘土。
(四)生产规模小,生产技术落后,工艺简陋,机械化、自动化程度较差,生产效率较低,劳动强度较大。
三、我国新型墙体材料的发展趋势
(一)利用工业废弃物
国家政策明确指出,墙体材料应向节土、节能、环保发展。各种工业废弃物,如粉煤灰、煤矸石,既占用大量土地进行堆放,又严重危害环境。我国粉煤灰的排放量预计到2010年为2亿吨,煤矸石目前积存为10亿吨以上,每年还将排出煤矸石1亿吨。另外,磷石膏、脱硫石膏、钢渣、黄金尾砂、黄河淤泥等废弃物也大量占用土地,严重污染环境。因此,充分利用工业废弃物生产墙材制品已成为发展新型墙体材料的一大趋势。
(二)发展功能性墙体材料
随着经济的不断发展,人们对生活质量的要求不断提高,为此墙体材料的发展将更趋向于多功能性,例如要求墙体材料具有轻质、高强、隔热、隔声、防水、低收缩性等特点。并且,为适应现代建筑机械化施工的要求,墙体材料将向大块型方向发展。
(三)利用农业废弃物
农作物秸秆纤维可用作墙材制品的增强材料,能进一步提高其产品的机械性能。秸秆来源丰富,且价格低廉、密度低,具有良好的生物降解性。目前我国对秸秆的利用,除用于造纸、牲畜饲料外,大部分掩埋或焚烧后作为肥料,这不仅浪费了资源,而且由于焚烧产生大量烟雾,对空气严重污染。从环保和资源再生利用的角度出发,对农作物秸秆进行加工处理,制成纤维,用作墙材的增强材料,可收到经济和环保的双重收益。
(四)发展绿色墙体材料
以石膏作为原材料的墙材制品,具有安全、舒适、快速、环保等特点,备受人们的青睐。石膏煅烧温度理论上只需140℃,实际煅烧温度在300℃左右,生产能耗明显低于其他建筑材料,由此成为发展绿色墙材重点应用的原材料。充分利用工业副产石膏,既可以减缓副产物堆弃所造成的二次污染,又可以减少天然石膏的用量,节约不可再生资源,同时可大大降低产品生产成本,提高产品收益。
四、结束语
经过多年的发展,新型墙体材料被人们接受和认可的程度,有了质的变化。目前,我国墙体材料生产技术与装备制造具备了一定的基础。我相信,在政策的指引和扶持下,我国新型墙体材料将迎来一个健康、有序的大发展时期。
参考文献:
[1]王秀花.建筑材料[M].北京:机械工业出版社,2007.
新型的建筑装饰材料——搪瓷平板 篇4
1.1 陶瓷类建筑装饰材料
瓷质的陶瓷砖主要用于外墙装饰。早期的装饰方式是采用水泥浆粘贴, 其缺点是易脱落, 甚至出现伤人的安全事故, 媒体曾有过多次的报道, 尤其是一年四季温差较大的地区。现在瓷砖建筑装饰采用钢结构干挂的方式, 虽然解决了脱落的问题, 但由于瓷砖的易碎性给施工带来许多困难。
1.2 玻璃类建筑装饰材料
玻璃, 因其自身所具有的特征, 不仅被用于建筑物采光, 而且还被作为一种装饰材料用于各类建筑的室内外装饰, 尤其是高层建筑装饰。
高层建筑采用玻璃墙面装饰曾风行一时, 尤其是在一些发达地区, 如上海、北京、广州等地区。采用玻璃墙面进行高层建筑外墙装饰有两个突出的安全问题, 一个就是光污染的问题。在一天中的某个时间段内, 太阳光线通过玻璃墙面反射到道路上, 严重影响着汽车驾驶员的视线, 甚至造成交通事故。对于夏季高温地区, 阳光的暴晒导致玻璃墙幕爆裂脱落伤人的事故也屡有发生。对此一些地区提出限制高层建筑采用玻璃墙幕进行建筑装饰。
1.3 氟碳铝板建筑装饰材料
氟碳铝板作为建筑装饰材料是在近二十年才兴起的。采用干挂式安装, 解决了瓷砖脱落的问题, 也从根本上解决了脱落伤人等安全隐患问题。由于氟碳铝板是采用2.0mm-2.5mm后的铝合金板材做基材, 因此没有了像玻璃墙幕日晒爆裂, 反射光污染的问题。
氟碳铝板作为建筑装饰材料也有它的弱点, 一是强度不够, 稍稍有点磕碰就会使板面变形, 从而严重影响了外观的美观效果。二是氟碳漆属于有机物, 其耐老化性及耐大气污染性远远不及陶瓷瓷砖和玻璃。
2 建筑装饰用的搪瓷平板
搪瓷是以金属为基材, 在其表面涂覆一层无机硅酸盐材料, 经过810-840℃高温烧制而成的一种复合材料。提起搪瓷, 人们的第一感官印象就是盆盆罐罐, 作为建筑装饰用的搪瓷平板还是鲜为人知。
国外将搪瓷作为建筑装饰材料已有二十多年的发展历程。在国内, 搪瓷平板作为建筑装饰材料是在上个世纪九十年代才开始的, 典型的应用实例就是上海的地铁1#线的地铁车站装饰。
与传统的建筑装饰材料相比, 搪瓷平板克服了陶瓷瓷砖的易脱落、强度不高的缺点;克服了玻璃墙幕光污染、爆裂的缺点;克服了氟碳铝板强度低、耐老化性能差的缺点。总之, 搪瓷平板作为建筑装饰材料, 吸取了瓷砖、玻璃、氟碳铝板的优势, 同时也解决了这三种传统建筑装饰材料所存在的缺点。
2.1 搪瓷平板的特性
2.1.1 耐候性
搪瓷平板属于复合材料, 特点是质地坚硬, 表面光滑, 可以长期曝露于大气中, 即使受到水汽、强风、温差以及酸雨的侵蚀, 仍可保持其颜色的稳定, 使用时间长达50年, 是城市公共设施工程理想的建筑装饰材料之一。
2.1.2 耐磨性
搪瓷涂层是莫氏硬度6-7级的玻璃混合物, 能够抵御极高的摩擦和划刮。
2.1.3 防火性
能够长时间抵受高达400℃的高温, 30秒用水即可冷却至室温, 且不会令搪瓷板面损坏, 更不会出现爆碎现象。
2.1.4 易清洁及保养
表面容易清洁, 只需用中性的清洁剂抹拭便能清洁, 而其光亮的色泽只需定时清理便能长久保持, 抗臭、抗霉, 且不会受杀虫剂及消毒剂侵蚀。
2.1.5 耐冲击性
具有较高的耐冲击性, 当收到强大的冲击力时, 不会发生整体碎裂的问题, 这是搪瓷平板与其它材料相比具有的独特特性。
2.2 搪瓷平板比其它建筑装饰材料具有的优势
2.2.1 与玻璃装饰板的比较
2.2.2与石材装饰板的对比
2.2.3与氟碳铝板的对比
2.3搪瓷平板的经济性
2.3.1 无料耗, 搪瓷平板是为建筑量身定制的, 不需要施工现场二次加工, 因此不存在料耗问题。
2.3.2 极低的维护费用, 搪瓷平板使用寿命长, 这是任何一种材料都不能比拟的。安装完成后可实现零维修, 而玻璃装饰2-3年维修一次, 铝板装饰5-8年维修一次。
2.3.3 安装简洁、方便, 搪瓷平板采用干挂式安装, 极大地方便了装饰板的更换以及装饰板后面的线路检修、电器件的更换。
3 搪瓷平板生产工艺
搪瓷平板是由脱碳钢板与玻璃质的无机非金属材料在高温下熔合成一体的复合材料, 因此它既具有金属的韧性, 同时又具有一定的耐腐蚀性。
3.1 搪瓷平板的涂搪工艺
搪瓷平板采用静电搪瓷粉末喷涂设备进行喷涂涂搪, 这种设备是国际搪瓷行业最先进的涂装设备, 其原理是搪瓷瓷釉粉末的表面被一种可以导电的有机物所包裹着, 在喷涂操作时, 该粉末在负60-100kv电压作用下被工件均匀的吸附。喷涂底釉层之后直接喷涂面釉层, 两次喷涂后一次烧成, 形成120-150um厚度的瓷层。
两涂一烧技术是搪瓷行业最先进的涂搪瓷工艺, 其优点是减小了产品的变形, 尤其是对于大面积的平板。目前国内搪瓷企业能够生产的最大规格的平板是1.5m×3.2m。
3.2 搪瓷平板尺寸和平整度的控制
搪瓷平板尺寸的精确性和平整度, 是搪瓷平板质量的关键之一, 影响搪瓷平板平整度和尺寸的精确性的主要因素一是烧成控制, 二是金属基板厚度控制。
搪瓷平板烧成窑炉要求其炉膛尺寸足够大, 只有这样才能保证满足建筑装饰平板的烧成要求, 此外搪瓷烧成炉内的温度必须非常的均匀, 一般炉膛内的温差控制在±5℃。在烧制工艺控制方面, 必须采用低温长烧烧制工艺, 目前基本采用810-830℃进行烧成, 烧成时间根据钢板厚度以及板型的大小具体而定。
用于搪瓷平板的脱碳冷轧钢板的厚度直接影响到搪瓷平板的平整度。通过生产厂家的无数次的实践和摸索, 搪瓷平板规格在1500mm×750mm的产品采用1.2mm-1.5mm厚度的钢板即可以达到平整度的要求。超出这个尺寸的搪瓷平板要采用1.8mm以上厚度的脱碳冷轧钢板方能满足尺寸和平整度的要求。
4 搪瓷平板的发展及未来
搪瓷平板是近几年发展最快的搪瓷产品之一, 目前已在地铁车站、人行通道、公共设施、公交站亭等领域广泛应用。搪瓷平板以其优良的化学稳定性、易清洁、绿色环保、防火、色彩丰富靓丽等特点逐渐得到专家和公众的认可, 目前已是公认的地铁工程最佳装饰材料之一。哈尔滨地铁1#线的车站装饰就大量采用了搪瓷平板, 其样板工程哈尔滨理工大学车站就是采用搪瓷平板进行装饰的。
搪瓷平板在国内多个城市的地铁工程中应用, 如北京、上海、广州、深圳、沈阳等。此外在城市高层建筑物的搪瓷储水箱, 大型搪瓷污水处理池, 农村的搪瓷沼气罐, 大型搪瓷储粮拼装仓库等方面也取得了良好的效果。
随着城市以及农村城镇化的建设的发展, 搪瓷平板将发挥巨大的作用。作为新型建筑装饰材料的搪瓷平板会因其优良的化学稳定性、机械强度、施工便捷以及环保、安全、维护成本低等特点, 在建筑装饰方面得到广泛的应用。
摘要：提到建筑装饰材料, 首先想到的就是瓷砖、玻璃、石材这些传统的建筑材料。如果与建筑装饰行业有过接触, 还会想到氟碳板、铝塑板这些近几年发展起来的建筑装饰材料。搪瓷平板, 作为建筑装饰材料在建筑装饰中的应用, 还是鲜为人知的。
积极开发汽车内装饰新型化纤材料 篇5
随着我国经济飞速发展，汽车工业已经成为国家的支柱产业，是国家重点发展的项目之一，统计数据显示，2003年汽车产量突破400万辆，比上年增长20%。据有关部门初步规划我国汽车产量2010年将达到600万辆，这将大大带动相关产业的发展。作为汽车用纺织品主要包括内饰材料、轮胎帘子布和安全气囊等。而汽车内饰材料包括铺垫织物、座椅面料、车顶篷、车门护壁材料、地毯、门窗密封材料以及安全带等。据有关部门预测，到2010年汽车工业对纺织品需求量将达到60万t，汽车内装饰品材料的需求将达到20万t/a以上。随着科学技术的进步、人民生活水平的提高，对于汽车内装饰用的纤维材料和纺织面料从以往的经济实用型向功能性、装饰化以及绿色环保型的方向发展。
内饰面料是纺织行业内的一大新兴门类，和传统服饰用纺织品相比，它具有装饰性和功能性兼容的特性，外观和材质都有特殊的要求，因而它的技术含量、生产难度都不是一般纺织品可比的，成为现代都市型纺织的标志产品之定。汽车用的内饰品包括：内饰面料主要功能是美化交通器具内环境，使人们在旅行途中舒适，因而它的开发、设计必须具有安全性、舒适性和环保意识。汽车内饰面料用纤维的开发与时代特色、市场状况和消费者的需求密切相关。一个成功开发的产品应该是技术、艺术和市场完美结合的统一，从消费者的角度来看，它应当具备美观（looking good)、舒适（feeling good)、易于保养（keeping good)和环境友好（environement friendly)的特征，因此新型汽车内饰面料用纤维的开发应该且必须从产品的使用性、安全性、功能性以及环保（环境友好）性等方面来综合考虑。要达到以上要求，必须在纤维制造、纱线纺制、织造、染整和设计等产业链上系统研究，而源头是研制开发具有优异使用性、安全性、功能性以及环保型（环境友好）新型纤维原料。
在美、德、日等汽车工业先进的国家，对汽车内饰纺织品的研究已达到了非常深入的地步。欧美、日本等地从事内饰面料的生产厂家应用一些新型化学纤维用于生产内饰面料，或者采用一些新型无污染染整技术替代原有的染整技术。如欧洲一些高技术公司与纺织企业合作，新近推出用超细涤纶纤维制作的纺革织物。值得一提的是，这种新型仿革织物由于使用了相变材料（PCM），可使夏季汽车内的温度至少降低2~4℃，这种材料在欧美市场非常热销。因此，将来汽车用内饰面米的发展趋势主要有二：一是发展新型在面料的织造风格，满足消费者美观的要求；二是采用新型的功能纤维，汽车内饰纺织品属于高技术产品，不仅在原料上有较高的要求，而且其加工工艺及后整理也十分复杂。这些纺织品不仅要满足织物的常规要求，而且还要在阻燃、拒水、防污、抗静电，透气性、色牢度、耐日照性能、耐清洁性、防静电、防倒毛、抗菌等特殊功能方面有专门的要求。国外专门从事汽车内饰面料用树脂、纤维生产的厂家有美国的杜邦、德国的巴斯夫等，而国外专门从事汽车内饰面料用织物生产的厂家比较著名的是美国的里尔公司、Volvo公司、奥地利的爱卜公司，日本的川岛、住江，德国的林顿发盘，法国泰佛、美国艾克曼等。
我国在这一方面的研究和生产虽然起步不晚，但不论在内在质量还是外观花式都处于初级的仿制阶段。近年来，为配合汽车工业的发展，适应轿车国产化的要求及汽车内饰纺织品化的发展趋势，我国纺织行业的许多企业都进行了这类产品的开发研制，取得了一定的进展，但还未尽人意。为适应这一发展，作为为汽车配套的内饰材料，在品种和质量上必须加快发展。目前车辆内饰面料中纺织品己占50％以上，一些中低档车辆虽然仍是以人造革面料为主，但在逐步使用纺织面料，而且有增加之势。中高档车辆尤其是轿车和客车，纺织面料已经作为基本内饰面料取代了人造革，不仅用作座椅面料，而且用作车顶棚、内护板、遮阳板、门护板等的包覆面料。然而和汽车工业的快速发展相比，发展较慢。国内规模较大的有江苏旷达集团、上海研丰集团等，但专门从事汽车内饰面料用树脂、纤维生产的厂家国内寥寥无几。
根据汽车用内饰品的不同应用场合，需要选择不同的纤维材料，特别近几年来我国在新材料开发方面力度的加强，出现了许多新型纤维材料和新型纺织加工以及后整理技术，为汽车用纺织品内饰材料的选择提供了极大的空间。汽车内装饰面料的应用有以下几类：
（1）汽车座椅 用的面料除了外观、花型、图案和色泽要求美观大方与车型相协调以外，要求的纤维材料有好的人体接触感，如柔软、透气和良好的吸湿性，要求耐用、耐磨、防污、抗静电和有弹性，并能赋予纤维具有阻燃性能。目前应用较多的化学纤维是涤纶和丙纶，需要通过化学和物理改性提高它们的价值和应用的性能，如应用阳离子改性涤纶可以提高内饰材料的染色性能、应用抗毛、抗起球涤纶以及三叶型、三角型、十字型异型截面纤维等，可以改善内饰材料的舒适性和使用性能等，近几年应用的无机纳米或超细粉体材料与有机高分子材料复合制备的功能纤维可以赋予纤维具有抗菌、防静电、阻燃的功能。
（2）汽车地毯 要求能增加汽车的豪华感，还要有弹性、隔音、防水的效果和方便清洁，目前应用的化学纤维原料主要有PA66、PP，而PP地毯档次较低，用于一般客车和轿车，PA66地毯在弹性、染色牢度等方面性能较佳、大多用于豪华型轿车，近几年来开发的PTT、PBT是地毯用丝更好的纤维材料，尤其是PTT纤维所具有柔软的手感、高弹性、延伸性、高恢复力、易维护性、低温低压下无载体可染色性能等将是PA66竞争的有力对手。（3）车顶篷、车门护壁材料、车用包覆布等 除了厂花型色泽赏心悦目给人以舒适感外，更要求有阻燃功能、防污性能好、有隔热隔音效果、其合适的延伸性能满足模塑成型的要求，也可以应用具有阻燃、抗菌负氧离子等功能性的无机纳米或超细粉体材料加入高聚物中纺制功能性的纤维，在纤维加工中可以采用多重变形加工的方法进行物理改性来提高纤维的质量。
（4)汽车厢安全气囊 通常采用330dtexd的高收缩PA66长丝，但是该织物透气性能差，应用高强、高伸、高收缩涤纶可以制作具有织物轻薄、强度高、伸长大、耐化学性能的特点，而且不用上浆、上胶，水洗定型等后加工处理，与PA66相比，成本低，应用前景看好。强度达到8cN／tex、热收缩小于5％的高强低伸的涤纶可用作汽车安全带，同时加入阻燃等某些功能可以制得手感柔软、轻盈、耐磨的车用安全带。
根据汽车内饰面料需要一种集安全性、舒适性和环保性于一体的新型产品，目前选用负氧离子、阻燃复合功能涤纶纤维及织物正是符合这一要求，不但具有较高的强度和模量，满足汽车内饰面料的要求，而且同时具有阻燃与环境清洁、空气清新的双重功能，这种汽车面料的开发成功对于提升国内汽车内饰面料用纤维及织物的附加值具有很大的促进作用。此类纤维还可以广泛的应用于工业用面料和装饰用面料，尤其是各种装饰、铺饰织物，如窗帘、墙布、地毯、家具布和床上用品。除上述应用领域外，还可用于国防军工和各种防火作业服、劳动保护服，如作战服、消防服、焊接服、飞行服、森林服。此外开发高档次汽车内装饰纺织品面料，应该从原料、织造、后整理的一条龙开发方式，使阻燃性，透气性、抗菌等多种功能在同一块面料上同时具有。如可以采用新型的编织技术不仅花纹美观，而且织物尺寸稳定性、手感丰满，织物后整理中应用馀层也可以赋予多种功能。汽车用复合材料海绵(泡沫)也可以应用新型化纤材料如可以应用粗旦中空或多孔纤维具有保温作用以及加入某些功能作为填充材料，可以增加汽车的安全性和舒适性能。 发展我国车用内饰纺织品的当务之急除了积极开发具有高性能、功能化的化纤原料和开发高档次汽车内装饰纺织品面料之外，还应抓紧建立生产汽车用纺织品专业生产厂家和新产品新材料开发基地：同时建立行业标准及国家标准，建立车用纤维材料和面料公共测试平台。通过车用纺织品新型材料的开发和应用，可以为我国纺织工业产业结构的调整和优化做出一份贡献。汽车聚合物用量增长趋势明显据美国化学委员会（ACC）日前公布的数据分析，美国现生产的每辆轻型汽车含有价值达2000美元的化学品，它们包括塑料仪表板和其他组件、尼龙纤维、橡胶轮胎和软管、涂料和黏合剂等，一些主要化学品的用量价值 ：塑料和树脂240美元、合成橡胶230美元、催化剂100美元、人造纤维70美元、橡胶加工化学品48美元、黏合剂110美元。
塑料和树脂在汽车制造中具有重要市场，聚氨酯、尼龙和其他工程塑料以及热塑性树脂都被大量采用，已在许多应用中替代了金属。其他还包括ABS和聚乙烯醇缩丁醛（用于安全玻璃），而聚乙烯醇缩丁醛在汽车市场有用量占其他总用量的85%。使用每千克塑料组件可替代2~3kg其他材料，有助于减轻车辆自重，可提高燃料效率和减少温室气体排放。因此轻型车聚合物用量增长趋势明显，平均每辆车的聚合物用量已由1970年的46.31kg，迅速增加到现在已超过129.39kg，占车身自重的8%。
新型装饰材料 篇6
关键词：室内设计；新型装饰材料；应用
中图分类号：159 文献标识码：A
在室内空间环境美化的过程中，主要通过运用装饰材料对室内的地面、墙面、顶棚等各界面来进行装饰，而装饰材料的运用是界面设计中涉及设计成果的实质性环节，它最为直接地影响到室内设计整体的实用性、经济性、环境气氛和美观与否。同时，装饰材料也是室内设计中设计风格的重要体现。但是随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，只有空间环境的美化是不够的，这就不仅仅要求材料的美观和实用，同时更要关注材料对人体健康的影响。
1人造水晶与人造石材
1.1人造水晶
水晶是奢侈品，由于它的特殊质地对人体具有保健作用，另一方面也是人们身份地位的象征。但随着人造水晶技术的迅速发展和材料的不断丰富，以及在室内装饰设计中追求奢侈、豪华审美诉求的不断增多，于是人们大胆地把它运用到室内装修上。尤其是在舞台设计、大型典礼和豪宅设计中，水晶以其晶莹剔透的奢华感而十分引人注目。但是水晶材料自身脆弱、柔韧性差和价格昂贵等特点在很大程度上限制了它的应用范围，于是人造水晶便应运而生。作为新型装饰材料，人造水晶可以满足人们的某些物质和精神需求，更因为其本身晶莹纯粹、高贵圣洁，越来越来受到消费者的青睐。
1.2人造石材
人造石材是一种人工合成的装饰材料。所以它的花纹图案可人为控制，其构造不仅如天然石材一般坚硬，而且无毛细孔，更将木材设计的灵活和大理石的典雅特质集于一身，胜过天然石材。其特点为重量轻、强度高、耐腐蚀、耐污染、加工性能好、用途广泛且非常容易清洁，是现代建筑室内外装饰的理想材料之一。现在市场上常用的人造石材有四类：水泥型人造石材、树脂型人造石材、复合型人造石材和烧结型人造石材。其中又以树脂型中的聚酯型人造石材应用最为广泛。
以有机树脂为胶结料，与天然碎石、石粉及颜料为原料的聚酯型人造石材，因为采用的颜料、天然石材的种类、质地、外观和制作工艺手法不同，人造石的纹理、花色、质感也就不同。聚酯型人造石材的表面图案可分为人造大理石、人造花岗岩、人造玛瑙石和人造玉石等。聚酯型人造石材通过不同色粒和颜色的搭配可生产出不同色泽的人造石材，花色品种较多、色泽亮丽、装饰性好。其外观极像天然石材，并避免了天然石材抛光后表面存在的轻微凹陷，其质感与装饰性完全可以达到天然石材的效果，仿真性极好。由于它质量轻、强度高，故而可以制成薄板，便于施工。具有较高的硬度，耐磨性好，并且具有良好的耐酸碱性，对墨水、药水、醋、酱油、食用油等日常用品不着色或着色十分轻微，并且吸水率十分低，所以具有良好的耐腐蚀性和耐污染性。加工性好是它的另一大优点，可根据设计者的要求生产出各种形状、尺寸和光泽的制品，便于表现创意。但是由于原材料不饱和，聚酯树脂的耐热性能较差，在室外易受到阳光等热量综合作用而老化，故一般多用于室内装饰之中。
我国虽有富丰的石材资源，但成材率仅有30%，人造石材的主要原料是碎石，是一种变废为宝的装饰材料，值得我们深入研究开发，进行二次利用。聚酯型人造石材是一种不断发展的室内外装饰材料，常用在地面、墙面、柱面和台面之中，个别品种也可用于卫生洁具、壁画等工艺装饰品之上。因此它是一种具有巨大发展空间的新型装饰材料。
2橡胶地板与晶体瓷砖
2.1橡胶地板
丁苯、高苯、顺丁橡胶为合成橡胶，是石油的附产品。天然橡胶是指人工培育的橡胶树采下来的橡胶。他们都是无毒无害的。橡胶在吸收二氧化碳方面效果显著，所以天然橡胶是一种非常好的低碳环保可再生材料。橡胶地板是一种环保地板，它是由天然橡胶、合成橡胶和其它成分的高分子材料所制成的地板。它的质感像橡胶一样柔软，脚面踏在橡胶地板上会产生极大的反向弹力，非常适合运用于室内运动场地的地面铺设，既美观又实用。又因其具有较好的减冲、降噪、防水、防火、防滑和卫生等特性，所以还可以大量运用于医院、家庭、幼儿园、商业会所、会馆和酒店包房之内，适用性较广。生产橡胶地板所需的能源量远远低于其它的弹性地板所需能源量，还可多次回收利用，是环保性最好的装饰材料之一。
2.2晶体瓷砖
嵌入晶体的瓷砖即聚晶玉石砖，在砖的烧制过程中加入了晶体熔块，成品瓷砖的表面可见晶体熔块，该砖具有天然石材的肌理效果，且花纹细腻。同一般瓷砖相比，晶体瓷砖胚体的颗粒细小、排列紧密，故而瓷砖的密度也更大，防污性能和坚实度比普通的瓷砖更加优越。晶体瓷砖紧跟时代潮流，融入不同的晶体熔块会出现各种不同的装饰效果。水平砖面中融入了极强的三位晶体造型效果，可以综合解决墙面和地面的美观与洁净问题。
结语：过往在室内装修设计时，装饰材料中所携带的大量的甲醛、苯等有害物质不断地侵害着人们的身体健康。现在，随着人们环境意识的不断加强，装饰材料在生产和使用的过程中都比以往更加注重对生态环境的保护。健康促进型装饰材料将成为未来相关产品研发的重点方向。
新型碳材料 篇7
碳是世界上含量及广的一种元素。它具有多样的电子轨道特性 (SP、SP2、SP3 杂化) , 再加之SP2 的异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性, 因此以碳元素为唯一构成元素的的碳材料。具有各式各样的性质。在历史的发展中传统的碳材料包括:木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨电极、炭刷、炭棒、铅笔等。而随着社会的发展人们不断地对碳元素的研究又发明了许多新型炭材料:新型纳米材料、碳基复合材料、碳纤维、柔性石墨、储能型碳材料、金刚石等。其中新型纳米碳材料:富勒烯、碳纳米管、石墨烯、纳米金刚石等。没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成如此多类结构和性质不同的物质, 可以说碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的性质, 如最硬-最软、绝缘体-半导体-超导体、绝热-良导热、吸光-全透光等。随着时代的变迁和科学的进步, 人们不断地发现和利用碳, 可以这么说人们对碳元素的开发具有无限的可能性。
进入21 世纪以来, 富勒烯、碳纳米管、石墨烯等纳米新型碳材料的迅速发展引起了全世界的广泛关注, 其与碳基复合材料、碳纤维等构成了新型炭材料的主要品种。而随着这几种新型碳材料的研究逐渐深入及其制备工艺的不断完善, 目前逐步走向产业化阶段, 但相比于传统的碳材料产业化程度还有一定差距, 但由于它们独有的优异性能, 其在各个领域展现出了良好的应用前景。
1.1纳米碳材料产业的背景需求及战略意义
(1) 富勒烯领域的背景需求及战略意义
富勒烯是由碳原子形成的一系列笼形单质分子的总称, 它是碳单质的第三种稳定的存在形式, 而C60 是富勒烯系列全碳分子的代表, 1985 年C60 的发现使人们了解到一个全新的碳世界。C60 是最常见的富勒烯, 60 个全同碳原子构成完全对称的中空球形结构, 杂化电子在碳球外围和内腔形成非平面离域大 π 键, 因此C60 具有缺电子烯烃的性质, 碳球内外表面都能反应, 如金属、Ti、N、S等嵌入碳笼内或对碳笼外表面修饰得到富勒烯衍生物。随着C70、C76、C84 等富勒烯的发现, 富勒烯及其衍生物显示出巨大的应用前景。目前, 富勒烯已广泛地影响到机械学、电子学、光学、磁学、化学、医学、材料科学和生物工程学等各个领域, 极大地丰富和提高了科学理论, 同时也在催化工程、磁性材料、医学和生物工程、精细化工、微型半导体器件及传感器方面显示出巨大的应用前景。
(2) 碳纳米管产业的背景需求及战略意义
碳纳米管属于一维纳米材料, 主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。按石墨片层数可以分为单壁碳纳米管和和多壁碳纳米管, 由于具有独特的金属和半导体导电性、极高的机械强度、贮氢能力、吸附能力、较强的微波吸收能力, 其杨氏模量是钢的5 倍而重量仅为钢的1/6。还具有良好的导电、导热等性能, 并且在真空或惰性条件下可以承受超过2000K以上的高温。可用于复合材料、电子、场发射组件、能源、资源、测量仪器、生物医药等领域, 此外, CNTs的特殊结构和介电性, 使其表现出较强的宽带微波吸收性能, 同时兼具质量轻、导电性可调、高温抗氧化性能强和稳定性好等一系列优点, 是一种有前途的微波吸收剂, 可以作为潜在的隐身材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料使用, 其微波吸收材料的研究已取得积极的成果, 显示出其重要的国防军事应用价值和巨大的潜在商用价值。近年来, 国际上碳纳米管的修饰改性技术越来越受到重视, 各种新型改性碳纳米管的开发进一步拓展了其应用领域。
当前, 国际市场高纯度碳纳米管价格已在50$/g以下, 纯度稍低的多壁碳纳米管价格已接近1050 $/g在碳纳米管相对优势的价格下, 各国投资者极为看好碳纳米管未来的产业应用前景, 并在材料制备和应用方面纷纷投入大量研发资金及科技力量。其中, 日本已有300 多家相关企业致力于碳纳米管产业技术研发, 期望抢占此技术领域制高点, 进而加速碳纳米管的商业应用进程。
据美国商务部市场调查机构BCC统计数据, 在复合材料、电子材料、能源材料等领域中, 2007年全球碳纳米管市场产值达到7910 万美元;2009 年的产值已经接近3 亿美元, 年均复合增长率达38.7%。由此可以推测, 全球碳纳米管未来几年的市场需求将出现迅速增长, 全球碳纳米管的产量将达到数千吨的规模, 产值将达数十亿美元, 与其相关产品的产值将达数百亿美元。
(3) 石墨烯产业的背景需求及战略意义
石墨烯厚度只有0.3354 nm, 是目前世界上发现最薄的材料。具有特殊的单原子层结构和新奇的物理性质:强度达130 GPa、热导率约5000 J/ (m · K · s) 、禁带宽度几乎为零、载流子迁移率达到2×105cm2/ (V ·s) 、高透明度 (约97.7%) 、比表面积理论计算值为2630 m2/g, 石墨烯的杨氏模量 (1100GPa) 和断裂强度 (125 GPa) 与碳纳米管相当, 它还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和零载流子浓度极限下的最小量子电导率等一系列性质。随着低成本可化学修饰石墨烯的出现, 可以更好地利用其特性制备出不同功能的石墨烯复合材料。基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向, 其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能, 具有广阔的应用前景。石墨烯的加入可以显著提高复合材料的多功能性和加工性能, 因而它在导电高分子材料、多功能复合材料、高强度多孔陶瓷材料等领域有着广泛的应用。
当前, 世界各国均已认识到石墨烯的广阔市场前景, 力争把握石墨烯技术革命和产业革命的机遇, 正在形成技术研发和产业投资的高潮。发达国家将石墨烯列为一项影响未来国家核心竞争力的技术, 大力支持石墨烯的研发及商业化。在国家战略层面, 2010 年美国联邦政府提出45 亿美元巨资资助石墨烯的计划, 力图在石墨烯研发的最前沿领域取得领跑地位。2011 年英国将石墨烯列为四大战略性新兴产业之一, 并投入5000 万英镑打造全球领先的石墨烯研发和产业化中心。从2012 年开始, 韩国将连续六年累计提供2. 5 亿美元用于资助石墨烯的研发和产业化应用研究。从2013 年开始, 欧盟也将连续十年投入10 亿欧元的专项经费用于石墨烯的研发, 并将其上升到“旗舰项目”的战略高度。在企业层面, 全球各国已有200 多家企业加入到石墨烯的研发和产业化队伍中, 包括一大批世界500 强的国际知名公司, 如美国宝洁、韩国三星、美国IBM、荷兰飞利浦等企业巨头。在产业化层面, 美国石墨烯生产商XG Sciences年产能达到80 吨。韩国三星公司已研制出首款石墨烯电子晶体管器件和柔性显示屏智能手机。在技术专利层面, 全球石墨烯专利申请量呈激增态势, 从2010 年到2012 年的短短3 年时间内, 专利申请量增长4 倍多。美国和我国在专利拥有量上处于领先地位。韩国三星、浙江大学、美国IBM、韩国高级科技学院以及南京大学分别排在专利申请的前五名。
近年来, 我国高度重视石墨烯技术和产业的发展, 各高等院校和众多企业一直密切跟踪石墨烯的前沿技术和产业动向。2012 年, 工信部在新材料“十二五”规划中将石墨烯列入前沿材料目录。国家自然科学基金委在2007 ~ 2013 年期间资助了1096 项与石墨烯有关的基础研究计划。科技部围绕石墨烯的制备、工艺、材料等方向支持了一批重大专项和科技支撑计划项目。从石墨烯产业目前的发展进程看, 我国在石墨烯的散热、导电等特性的应用方面, 已迈入产业化门槛。2012 年1 月, 全球首款智能手机石墨烯电容触摸屏在江苏常州二维碳素科技有限公司研制成功。2013 年5 月, 全球最大规模的石墨烯透明导电薄膜生产线又在该公司正式投产, 年产能达到3 万平方米。2012 年9 月, 浙江宁波墨西科技有限公司年产300 吨的石墨烯项目正式投入建设。2013 年4 月, 贵州新碳高科有限责任公司正式宣布推出我国首个纯石墨烯粉末产品——柔性石墨烯散热薄膜。2013 年11 月, 国内最大的年产100 吨氧化石墨 (烯) / 石墨烯粉体生产线在常州第六元素材料科技股份有限公司正式投产。2013 年8 月, 江苏无锡惠山经济开发区启动建设国内首个石墨烯创新发展示范基地。
综上所述, 本世纪碳纳米管及石墨烯等碳纳米材料领域的研究及开发, 给我国的高技术产业带来一次新的机遇, 在这些领域, 我国的研究水平与世界发达国家相当, 因此能否抓住这个机遇, 保持优势, 进一步发展, 对我国未来的材料技术和高技术产业发展是一个关键考验。
1.2 炭基复合材料的背景需求及战略意义
碳基复合材料主要指C/C复合材料, 是新材料领域中重点研究和开发的一种新型超高温材料, 它具有比重轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好、摩擦性好等一系列优异性能。由于其优越的抗烧蚀性能, C/C复合材料在航天工业已成功地得到应用;由于其优异的摩擦性能和高温性能, C/C复合材料飞机刹车盘取代粉末盘成为飞机摩擦材料的第四个里程碑, 占据了飞机刹车市场的绝对主导地位;由于其无可比拟的超高温性能, 各国研究人员又把注意力集中于将该材料作为高温长时间使用的热结构材料方面, 尤其是如何使之用于新一代高性能航空发动机的热端部件。目前C/C复合材料的应用领域主要在以下方面:
C/C复合材料具有卓越的高温力学性能, 抗热震性能、良好的高温烧蚀性能, 广泛用在导弹发动机喷管、喉衬和航天飞机的鼻锥、机翼前缘等方面。
C/C复合材料热导率高、比热大、热膨胀系数低、耐摩擦磨损且摩擦系数稳定, 是理想的高级制动刹车材料。现已广泛用于大中型民航客机, 如波音747、777, 麦道90 等。
用于制造热压模具。由于具有质轻和难熔的性质, 在金属铸造、陶瓷和粉末冶金生产中, 采用C/C复合材料制作热压模具可减小模具厚度, 缩短加热周期, 节约能源和提高产量。
由于C/C复合材料耐高温、热导率高、比热大、热膨胀系数低, 被广泛用于高温热核反应堆的热交换材料。C/C复合材料具有优良的耐腐蚀性, 在酸、碱盐溶液及有机溶剂中呈现化学惰性, 可以用于制造化学实验中的仪器以及热交换材料。在工业污水处理以及废气处理等需要耐腐蚀性的场合具有应用优势。C/C复合材料的生物组织的相容性好, 可以用作心脏瓣膜、人造骨关节和牙根的材料。
随着航空发动机推重比增加, 涡轮前进口温度不断提高, 尤其当航空发动机推重比达到15 ~ 20 时, 其热端工作温度高达2000℃, 要求材料的比强度比目前高五倍, 在如此苛刻的条件下, 除C/C材料外其它材料都已无能为力。此外, 一旦采用C/C复合材料, 由于其比重轻, 可以使发动机本身的重量大大降低, 自然可以提高推重比, 而且由于减少了冷却空气消耗, 进而会使发动机效率得以提高。因此世界各发达国家研究新一代高推比航空发动机都是把C/C复合材料作为高温关键材料来考虑。
在航天领域, 随着空间技术的快速发展, 我国正在面临新的挑战和机遇, 国际上以美国为代表的航天大国纷纷投巨资开展高超声速飞行器的研发工作, 美国的X-43A、X37B、X-51A等一系列高超声速飞行器的试验, 令航天技术迈入新的历史时期。世界各国正重新界定航空和航天技术的功能, 纷纷投入大量人力物力开展相关研究。新的航天技术也给热结构材料带来新的挑战, 可靠服役的热结构材料和热防护材料成了众多航天器研制的急迫需求, 尤其是在高速再入过程中的热防护材料, 发动机燃烧室用热结构材料、喷管材料等, 往往要求材料承受超过2000℃的高温高速气流冲刷和高频振动, 在如此苛刻的环境下, C/C复合材料以其优异的高温力学性能和抗烧蚀性能而成为最佳选择, 但是在一些要求低烧蚀乃至零烧蚀的服役环境下, C/C复合材料的抗烧蚀性能还需要进一步提高, 因此C/C复合材料的抗氧化及抗烧蚀改性技术就显得尤其重要。
在航空刹车领域, 国产刹车盘虽然已经在B757 及A320 等机型获得了取证, 但是相比于美国和欧洲产的同类产品, 其制备成本高、使用寿命低、稳定性差。航空公司退货现象时有发生。不仅如此, 美、法等国已经储备了相关技术, 在价格和使用性能上, 随时准备打压国产刹车盘, 因此提高国产刹车盘使用寿命和稳定性, 降低生产成本, 是目前我国碳刹车领域面临的重大考验, 否则, 面对国外产品的竞争, 相关生产商家前景并不乐观。
在民用领域如:化工耐腐蚀构件、高温炉保温材料、重载卡车刹车材料、高速列车受电弓摩擦材料等方面, C/C复合材料也面临着进一步拓展应用的迫切需求。
1.3 膨胀石墨产业的背景需求及战略意义
膨胀石墨是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能以外, 还具有天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性、耐辐射性等特性。因为膨胀石墨具有很大的孔隙体积, 并且具有多层次、丰富的微孔结构, 有很大的吸附性能, 可广泛用于从水中吸附和分离油类和有机大分子。另外, 膨胀石墨基本由纯碳组成, 无毒并且具有化学惰性, 所以对环境不会造成二次污染。膨胀石墨经过模压或轧制等深加工而制成的具有柔性的纸状薄片, 称做柔性石墨, 是重要的密封材料。目前国内外对于膨胀石墨的研究主要着重于以下几个方面:膨胀石墨制备方法的研究、膨胀石墨基复合材料的制备、结构分析和应用研究。其中, 制备方法研究主要包括不同石墨原料的选择、插层方法的优化、插层剂的选择、插层条件的选择等。膨胀石墨的应用涉及储热能源、制作烟幕材料、作为吸附剂、高温密封材料、核反应堆密封材料等很多方面。主要表现在:
(1) 密封行业:20 世纪60 年代后期, 美国联碳公司用膨胀石墨制成密封材料, 从而诞生了第二代密封材料。1971 年美国洛克惠尔阀门工程设计中心为解决原子能阀门泄漏问题, 对美国九家公司生产的16 种不同类型的密封填料在64 个试验点进行对比试验, 结果表明, 膨胀石墨密封效果最佳, 从此, 美、日、法、德等发达国家进一步深入研究, 促进了膨胀石墨密封材料的迅速发展, 成为世界上一种新型高效节能密封材料。我国于1978 年开始研制膨胀石墨及其制品, 近几年发展速度也很快。由于它独具质地柔软, 压缩性和回弹性强等特点, 因而作为密封材料在我国很快得到推广和应用。它可以代替石棉、橡胶、聚四氟乙烯、金属等传统密封材料, 能较理想地解决设备的跑冒滴漏问题, 对于提高三大效益, 尤其是环境效益, 作用也越来越大。
(2) 钢铁工业:不同膨胀倍率的可膨胀石墨, 是炼钢厂配制各种不同型号防氧保温发热剂的主要原料之一, 对降低钢坯缩孔切头率, 提高钢锭的成材率有较显著的经济效果。
(3) 电池材料:在可充锌锰电池的锌阳极中添加膨胀石墨可以减小锌阳极充电时的极化, 增强电极及电解液的导电性, 抑制枝晶的形成, 并且能提供良好的成型特性, 抑制阳极的溶解和变形, 延长电池寿命。另外锂可以通过气态、液态、固态及锂盐电解法与石墨形成GIC, 这种GIC具有较低的电极电位和良好的嵌脱可逆性。日本三洋公司利用锂型GIC作负极生产出锂离子电池, 循环寿命达到500 次, 比能量达到261W · h/L。
(4) 环保产业:可膨胀石墨经高温膨胀后得到的膨胀石墨具有丰富的孔结构, 因此具有优良的吸附性能, 利用其对污染物的吸附, 可以达到治理污染的目的。有报道称, 1g膨胀石墨可吸附80g以上的重油。1997 年, 日本福冈近海油轮泄漏, 试用膨胀石墨清除, 取得了很好的效果。膨胀石墨又是一种良好的微生物载体, 在工业废水的治理中, 也有广泛的应用前景。
(5) 生物医学产业:在生物医学材料上, 清华大学等应用膨胀石墨制作医用敷料替代医用纱布, 经过大量动物实验及一百多例临床实验, 证明比传统纱布引流好, 有明显的抗感染、抑菌、消炎作用。目前这一科研成果已取得发明专利权。
(6) 隔热隔音材料:可膨胀石墨膨胀容积大, 可达350m L/g, 并且化学性质稳定, 氧化温度高, 安全性好, 是理想的隔热 (保温) 、隔音材料。国外有的高档建筑、客轮的墙壁材料中夹一层一定膨胀容积的可膨胀石墨, 以起到保温、隔音作用, 且在火灾发生时, 也有阻止火势蔓延的作用。
1.4 活性炭产业的背景需求及战略意义
活性炭是一种品味很高的重要林化产品, 广泛应用于废水处理、食品脱色、空气净化等行业, 研究表明, 环保因素的日趋重要导致全球活性炭需求以3.8% 的年增长速度在增加。1998~2006 年美国活性炭出口额一直居世界第1 位, 2007 年被中国赶超。5 个主要活性炭出口大国中, 中国是唯一活性炭出口市场份额不断增长的国家, 但是中国活性炭质量竞争力远低于美国、德国和日本, 主要原因是中国活性炭出口以低附加值的初级产品为主, 可持续发展性不强;中国活性炭贸易条件日益恶化。与发达国家相比, 我国活性炭工业仍然存在很大差距, 主要表现在技术基础薄弱, 生产装备落后, 企业数量多、规模小、品种少。同时, 在对外贸易中由于缺乏宏观调控, 活性炭市场基本处于无序状况。这些都导致国产活性炭在国际市场上缺乏价格竞争力, 极大影响了我国活性炭产业的国际竞争力, 在活性炭领域必须从研究、生产及管理等方面不断提高自身水平, 才能满足国际市场需求, 在激烈的国际竞争中占有一席之地。
2 新型碳材料产业的国外发展现状及趋势
2.1 国外纳米碳材料产业的发展现状及趋势
如前所述, 由于碳元素和碳材料具有形式和性质的多样性, 从而决定了碳元素和碳材料人有许多不为人们知晓的未开发部分。随着时代的变迁和科学的进步, 人们不断地发现和利用碳, 可以这么说人们对碳元素的开发具有无限的可能性。自1989 年著名的科学杂志《Science》设置每年的“明星分子”以来, 碳的两种同素异构体“金刚石”和“C60”相继于1990 年和1991 年连续两年获此殊荣, 1996 年诺贝尔化学奖又授予发现C60 的三位科学家;在富勒烯研究推动下, 1991 年一种更加奇特的碳结构——碳纳米管被日本电子公司 (NEC) 的饭岛澄男博士使用高分辨透射电子显微镜从电弧法生产的碳纤维中发现。而2004 年另外一种神奇的炭纳米材料——石墨烯 (仅由一层碳原子构成的薄片) 被英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈 · 杰姆和克斯特亚 · 诺沃消洛夫发现, 二人也获得了2010 年诺贝尔物理奖的殊荣。这些事充分反映了新型纳米碳材料科学的飞速发展, 这些新型纳米碳材料的快速发展也带动其相关应用及产业的发展, 而在这些新型纳米碳材料中, 目前有一定产业化规模的主要是碳纳米管及石墨吸、 其中新型纳米碳材料:富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯等。
(1) 碳纳米管产业化国际发展现状及趋势
自从纳米碳被发现以来, 其一直是学术研究的热点。尽管石墨烯的出现分流了不少碳纳米管的研究关注度, 但是碳纳米管仍然是目前研究最充分、关注度最高的新型纳米材料。碳纳米管诸多优异新奇的性质为其带来了许多实际应用, 已在复合材料、电子、场发射组件、能源/ 资源、量测/ 仪器、生物医药及平台等7 个重点领域广泛应用, 并引起了各国的高度关注。
以往, 由于受碳纳米管制备工艺技术及成本等问题的制约, 碳纳米管产业化应用受到了较大影响。但是, 近年来随着碳纳米管工艺技术水平的逐年提高, 碳纳米管的生产成本也大幅降低。当前, 国际市场高纯度碳纳米管价格已处于50美元/g以下, 纯度稍低的多壁碳纳米管价格已接近10美元/g。为此, 各国投资者极为看好碳纳米管的应用前景, 并在材料制备和应用方面纷纷投入大量研发力量。其中, 日本已有300多家相关企业致力于碳纳米管产业技术研发, 期望抢占此技术领域制高点, 进而加速碳纳米管的商业应用进程。
据美国商务部市场调查机构BCC统计数据 (图2) , 在复合材料、电子材料、能源材料等领域中, 2007 年全球碳纳米管市场产值达到7910万美元;2009 年的产值超过2.7 亿美元, 预计2011 年的产值将达到8.3 亿美元, 年均复合增长率超过75%。目前国外生产碳纳米管的四家主要公司: 日本昭和电工 (Showa Denko K.K) 、 比利时nanocyl公司及法国arkema公司, 年产均超过400 吨;而美国hyperion公司, 产量未知, 却是最早大量生产碳纳米管的公司。由此可以推测, 碳纳米管未来几年的市场需求将达到数千吨。
目前, 伴随世界各国对碳纳米管应用领域研究的日益深入, 电子、场发射与复合材料领域的应用潜力已逐步显现出来。在日本《 第八次科技预测》研究中发现, 基于碳纳米管的优势特性 (表1) , 未来在半导体的应用上碳纳米管将扮演重要角色, 但可否完全有效取代硅的应用地位, 引起了科学家的高度关注;同时, 在生物医学、能源及资源等领域的应用, 已成为世界各国追求纳米材料工业化发展进程的重要热点。
(2) 石墨烯产业化国际发展现状及趋势
如前所述, 石墨烯 (Graphene) , 是碳 (C) 的一种同素异形体, 具有由C原子经sp2电子轨道杂化后形成的二维结构, 以及超强的机械强度、高导热率、高透光率、高比表面积等特点。石墨烯是零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨的基本组成单元 (如图1 所示) 。单层石墨烯厚度只有一个碳原子厚, 为0.335nm。是目前已知的最薄的一种材料, 其拥有许多碳材料所不具备的特性。石墨烯以其精妙的结构、无以伦比的性能, 使其在石墨烯柔性透明电极、石墨烯储能器件、石墨烯导电导热复合材料等方面具有广阔的应用前景。
随着石墨烯及其应用研究的不断深入, 石墨烯产业化序幕也逐渐拉开。目前, 国内外已有一批石墨烯企业开始量产。石墨烯产业化分为石墨烯微片和石墨烯薄膜2 类产品的产业化。美国的Vorbeck Materials公司和XG Sciences公司是国际上最早从事石墨烯微片生产的公司。其中Vorbeck Materials公司的石墨烯采用氧化方法制备, 含有较丰富的官能团, 并且已在导电油墨和锂电池等领域积极开展了应用研发。X GSciences公司则采用无氧化的插层剥离路线制备石墨烯微片, 并重点开发其在高分子复合材料领域的应用。韩国三星公司是最早开展石墨烯薄膜量产技术研发的公司, 并在2010 年推出了30英寸的石墨烯透明导电薄膜展现了迷人的应用前景。另外, 该公司也成功将石墨烯应用于柔性触摸平板显示器, 此前报道2012 年将实现量产, 但目前仍未见其石墨烯触摸屏平板显示设备推向市场。最近, 索尼公司也积极投身石墨烯薄膜的生产装备研发, 在薄膜连续化生长与转移技术方面取得了重要进展, 成功合成大面积长120 米、宽230 米的石墨烯薄膜。
韩国Korea Bizwire网站公布, 韩国科研人员成功研发出透明且富有弹性的石墨烯电极, 即利用石墨烯- 金属混合结构纳米沟槽网络的电极, 这意味着弹性透明的“电子皮肤”将成为现实。相关研究成果已于10 月20 日刊发在国际著名期刊Nano Letters上, 该期刊是全球范围内微纳材料和技术领域的高水平期刊。该科研团队表示, 该弹性透明电极的发现, 意味着可以开发易于附着皮肤和玻璃等物质的电子线路, 而且意味着可用做显示器、电子线路或传感器的电子皮肤将成为现实。
石墨烯锂离子电池石墨烯作为储能复合材料使用, 解决了锂离子电池能量密度和功率密度两者的要求, 是其最有可能实现产业化应用的方向之一。石墨烯在锂离子电池中的应用主要包括3 个方面:一是石墨烯复合电极材料, 包括正极和负极;二是石墨烯作为锂离子电池的导电添加剂;三是石墨烯功能涂层。石墨烯优异的导电性能可以提高锂离子电池的充放电速度, 并增强与集流体间的导电接触。石墨烯包覆磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料, 无论在学术上, 还是产业化研究方面, 目前报道都是最多的。2012 年4 月, 美国加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 研究人员利用DVD刻录机发明出微型超级电容器, 这种超级电容器只需数秒时间即可使手机或汽车充满电, 其充电和放电速度是标准电池的100 ~ 1000倍。美国Nanotek Instruments公司研制的石墨烯基超级电容器, 电极采用了石墨烯、混合5% (质量分数) 的乙炔黑, 电解液通过弯曲和卷曲的石墨烯片结构时, 可以更大比例地和石墨烯表面进行接触, 从而提高储存电量。据报道, 该超级电容器室温下可以达到85.6Wh/kg的能量密度, 相当于镍氢电池的能量密度, 充放电仅需要几分钟, 甚至几秒钟。这意味新一代的超级电容器作为储能器件逐步取代具有环境污染的铅酸电池和具有安全隐患的锂离子电池成为了可能, 并在储能和动力电池领域带来重大进步。美同莱斯大学研究人员在石墨烯薄片上快速生长出碳纳米管, 长度可以达到120 微米, 以形成大量的表面积, 更重要的是看起来类似储能超级电容器。研制的这种无缝石墨烯/ 碳纳米管复合材料, 或可作为最好的电极界面材料, 在诸多储能和电子器件得到应用。据韩国教育科技部透露, 韩国科学技术院研究团队成功研制出大容量、可挠式 (Flexible) 下一代蓄电池超级电容器。该超级电容器的成功研制是基于石墨烯的应用, 它有望在电动汽车和智能电网等领域予以采用。研究小组发现氮掺杂石墨烯后, 电解液与离子能够更好地相结合。此次研制的石墨烯蓄电池具有可挠性, 可用于制作携带在衣服或身上的蓄电产品。相信随着石墨烯成本的降低和石墨烯基复合电极技术的进步, 石墨烯超级电容器会逐步走向产业化。
在石墨烯导电复合材料应用方面:2006 年, 从事石墨烯研究的著名美国教授Ruoff的课题组首次报道了聚苯乙烯/ 石墨烯导电复合物的制备, 开启了石墨烯导电复合材料研发的序幕。美国Vorbeck Materials公司开发出了“Vor-X”石墨烯导电添加剂。据介绍天然橡胶添加4% (质量分数) 的“Vor-x”后的导电性能达到0.3S/m。此外, 美国XG Science公司也提供各种规格的石墨烯导电微片产品。据报道, 美国的Ovation Polymers公司已经推出了基于石墨烯的石墨烯热塑性色母料和复合母料。石墨烯导电油墨可以应用于印刷线路板、射频识别、显示设备、电极传感器等方面, 在有机太阳能电池、印刷电池和超级电容器等领域具有很大的应用潜力。因此石墨烯油墨有望在射频标签、智能包装、薄膜开关、导电线路以及传感器等下一代轻薄、柔性电子产品中得到广泛应用, 市场前景巨大。与现有的纳米金属 (如纳米银粉、纳米铜粉等) 导电油墨相比, 石墨烯油墨还具有巨大的成本优势。2012 年6 月, 英国剑桥大学的F.Torrisi等利用石墨烯的N- 甲基吡咯烷酮溶液, 首次使用普通的喷墨打印机打印出由石墨烯制成的柔性电路。美国Vorbeck Materials公司开发的“Vor-ink”是首个得到美国环保署批准的石墨烯产品。该油墨导电性好, 且价格远低于银基油墨, 已经用于Topflight、CT、MWV等美国包装公司的隐形电子条码安全系统, 以及射频识别商标上的电磁波定向屏蔽层。美国富尔顿公司 (Fulton) 的e-Coupled TM无线电源使用石墨烯纳米印刷感应线圈来实现笔记本电脑和手机的无线充电。石墨烯导电添加剂可减少导电填料在聚合物中的用量, 增强聚合物力学性能, 这方面的应用很多, 如飞机的抗静电轮胎, 以及航海航天用增强导电塑料等, 据报道, 美国Cabot公司已经将石墨烯应用于航天航空复合材料中。另外, 增加石墨烯用量可以制备高强度的石墨烯电磁屏蔽材料。
综上所述, 目前石墨烯产业在国内外仍处于专利布局期和产业化研发阶段。困扰石墨烯产业的发展的瓶颈, 一是低成本高质量石墨烯的产业化制备, 另外是石墨烯下游产业对石墨烯的需求的产业链的打开, 即产业的发展需要进一步开发石墨烯的产业化应用。石墨烯产业的大门已经慢慢开启, 随着产业链的逐步成熟, 石墨烯必将得到巨大的发展。
(3) 富勒烯、纳米金刚石产业化国际发展现状及趋势
富勒烯及纳米金刚石作为碳纳米材料领域重要成员, 它们都展现出了独特的性能, 但是全面受制于产业化制备及应用领域的开发等问题, 目前两种纳米碳材料还处于试验室应用研究阶段。
富勒烯的潜在应用领域主要包括非线性光学器件、抗癌药物、高强度纤维、超导材料、催化剂及有机太阳能电池等。
纳米金刚石米金刚石早在三十多年前就已被研制出来, 但其应用过去局限于做聚晶、抛光剂等磨料磨具领域。随着人们对纳米金刚石性质认识的深化, 纳米金刚石已在金属镀层、润滑油、磁性记录系统、医学等领域开始获得应用, 并且应用领域还在不断扩展。
2.2 国外碳基复合材料产业的发展现状及趋势
碳纤维增强碳基复合材料即碳/ 碳复合材料 (C/C) 复合材料发明于1958 年C/C复合材一出现, 就以其卓越的性能引起世界各国的普遍重视, 一些工业发达国家纷纷投入大量的人力物力、财力, 致力于这种材料的研究和开发, 从而促使其性能不断提高, 应用范围日益扩大。三十多年来, C/C复合材料在材质、制备工艺、性能、以及工程应用等方面都取得了长足的进展。
C/C复合材料目前在航天领域主要应用领域包括导弹、固体火箭发动机的头锥、喉衬、喷管等作为耐烧蚀材料使用和高超声速飞行器头锥、机翼前缘等作为热防护材料使用。目前国外在这些领域已经具有一定的产业化规模, 欧美等发达国家都将多种型号的导弹、固体火箭发动机及高超声速飞行器的超高温部件都采用C/C复合材料来制备。美国研制的C/C扩张段已应用于Star系列宇航发动机和MX系列导弹发动机上;法国研制的C/C扩张段已应用于西欧远地点助推发动机Mage II号上;俄罗斯研制的C C扩张段已应用于“起点一号”运载火箭等的众多型号发动机上。
美国对先进战略导弹用材料要求极为严格, 除要求高温稳定性外, 对弹头还要求具有隐身、抗核、抗激光和抗粒子云等功能。采用经改性的C/C, 能够实现一体化功能。由于细编穿刺的三向C/C有很好的耐烧蚀性能, 故美国在战略导弹上主要使用此种C/C, 美国将它用于射程为1l100 km和命中精度为90 m的MX导弹上, 大大提高了战略导弹的命中精度。美国战略导弹的固体火箭发动机喷管喉衬采用多向编织的C/C, 实现了防热和结构一体化功能, 使喷管重量减轻30 Kg以上, 其战略导弹上应用C/C的情况见表。美国C/C在战术导弹上主要用干导弹助推器喷管。大多数导弹选用的材料结构为四向结构, 即4D C/C, 少数导弹选用三向结构, 即3D C/C, 如近程攻击导弹便是使用3D C/C。美国使用4D C/C作助推器喷管的战术导弹有战斧巡航导弹、希神导弹、反潜艇导弹等数种。
碳/ 碳复合材料由于在高温环境下具有很好的综合性能, 一直以来都是各类航天飞行器最高温度区的首选材料, 应用特别广泛, 如美国现役的航天飞机轨道器, 俄罗斯、法国和日本的航天飞机等。俄罗斯拥有在碳/ 碳复合材料表面制备多层复合涂层技术, 使碳/ 碳复合材料能够在2000℃有氧环境下工作1 小时以上。据AIAA96 年的一份资料介绍, 美国采用C/C复合材料头锥和机翼前缘等作为高温热防护系统已完成70 余次发射。另据AIAA 2000 年的一份报告, 美国华盛顿大学进行了第二代可重复使用飞行器 (RLV, Reusable Launch Vehicle) 的设计 (K2X计划) , 其头锥的上裙部采用抗氧化C/C复合材料。美国的X系列属于高超声速飞行器, X-30、33、34 均为可重复使用航天运载器, 是超高音速飞行的可完全重复使用、单级入轨、水平起降的航天器, 其中X-30 试验机在高速飞行时, 其表面任何区域的温度均不低于650℃, 当X-30 以马赫数8 的速度在26822 米的高度飞行时头锥处温度为1793℃, 沿机身向后逐渐降至871℃, 机身后部温度最低, 约为760℃, 由于激波交叉加热, 整流罩前缘的温度将增至1788℃, 机翼或者尾翼前缘的温度将高达1455℃, 并逐渐降至后缘的871℃。发动机整流罩的温度可能将保持在982℃, 其机翼前缘采用带主动式冷却的C/C复合材料。图8 为X-33 试验机热防护有材情况, 可以看出, 其头锥、机翼前缘均采用了C/C复合材料。
HTV-2 属于美国“Falcon”计划的一部分, 是一项发展和演示可以提升全球到达任务的高超声速技术。这些技术包括高升阻比技术、高温材料、精确导航/ 制导/ 控制、穿过等离子体鞘的通信和自主飞行安全系统。HTV-2 通过“米诺陶-4”运载火箭助推至预定高度, 以大于Ma 20 的速度再入大气层, 在大气层内高速滑翔的时间计划超过3000 秒。在热防护技术方面, HTV-2 主要采取了由C/C复合材料制备的承力Aeroshell结构, 承担气动和飞行器轴向载荷, Aeroshell内部安放高性能多层隔热材料, 这对降低结构重量具有很大优势。另外, C/C复合材料在其它高超声速飞行器热防护系统应用方面, 在轨时间达270 天的X-37B轨道试验飞行器最高速度可达到25Ma以上, 其翼舵面及襟副翼采用和C/C复合材料来制备。X-51 高超声速巡航导弹同样使用了C/C复合材料前缘。日本1994 年发射的OREX和1996 年发射的HYFLEX高超声速试验飞行器的头锥也是使用抗氧化C/C复合材料制备的。
C/C复合材料航空刹车盘的实验性研究于1973 年第一次用于飞机刹车。目前, 一半以上的C/C复合材料用作飞机刹车装置。高性能刹车材料, 要求高比热容、高熔点以及高温下的强度, C/C复合材料正好适应了这一要求, 制作的飞机刹车盘重量轻、耐温高、比热容比钢高2.5 倍;同金属刹车材料相比, 可节省40% 的结构重量。碳刹车盘的使用寿命是金属基的5 ~ 7 倍, 刹车力矩平稳, 刹车时噪声小, 因此碳刹车盘的问世被认为是刹车材料发展史上的一次重大的技术进步。
英、美、法等国在20世纪60年代末、70年代初几乎同时将C/C复合材料用于飞机制动材料。目前已逐步取代金属刹车副, 成为最先进的刹车副材料, 并由该三国的五大公司垄断碳刹车盘的国际市场, 它们是法国的Messier、美国的Goodrich、Bendix、Goodyear及英国的Dunlop。全世界已有40种以上的民机和22种以上的军机采用了碳刹车盘, 其年产量占世界C/C复合材料总产量的90%以上。目前法国欧洲动力、碳工业等公司已批量生产C/C复合材料刹车片, 英国邓禄普公司也已大量生产C/C复合材料刹车片, 用于赛车、火车和战斗机的刹车材料。C/C复合材料耐摩擦磨损性能优异, 其摩擦因数适当且稳定, 飞机刹车用C/C复合材料, 寿命提高近5倍, 刹车性能也明显高于粉末冶金刹车材料。70年代中期, 英国Dunlop航空公司的C/C复合材料刹车片首次在协和式飞机上试飞成功以来, 得到很大发展, 已广泛应用于高速军用飞机和大型高音速民用客机:F16、B737、B757、B767、B777及暴风雪等型号。
C/C复合材料刹车盘的生产能力主要集中在少数几个国家, 除了上述5 家公司外, 俄罗斯、中国、日本和德国的一些公司也具备研制能力, 最新的资料介绍韩国、印度、中国台湾也在试制C/C刹车盘。法国欧洲动力公司大量生产C/C刹车片, 用作飞机 (如幻影式战斗机) 、汽车 (如赛车) 和高速火车的刹车材料。法国生产出了世界上第一辆使用C/C刹车片的汽车 (VEN-TURI-GT400 型) 。法国碳工业公司1994 年开始批量生产汽车用C/C刹车片。日本协和式超音速客机共8 个轮, 刹车片约应用300kg C/C。若用C/C作民用飞机刹车片, 可使飞机减轻450kg;若用作F-1 型赛车刹车片, 可使其减轻约11kg。
在航空发动机用热结构C/C复合材料研究方面, 美国、法国、日本等国进行了大量研究工作, Si C涂层的二维C/C燃烧室部件于1984 年设计并制造, 计划用于IHPTET的F107 实验发动机。到了1986年带涂层的C/C复合材料燃烧室部件在1343℃的最高燃气温度下安全工作累计超过163 分钟。后面三年则进行了总时间达13 小时的评估试验。1984 年, 一个全尺寸带涂层的C/C复合材料轴转子在1149 ℃下以45krpm的转速成功测试了17 分钟。1986 年转子在1500 ℃下以53krpm转速试验成功。1987 年设计并制造出带有涂层的小尺寸2DC/C复合材料喷管部件, 包括收敛鱼鳞片、发散鱼鳞片和侧壁, 在704-1704℃的气体温度下每台发动机上进行了20-50 小时的试验, 满足性能要求且实现了实质性的减重。1991 年, 一个涂层保护的C/C复合材料鱼鳞片在F100 发动机上考核超过1300 小时、5100 次加力燃烧室热循环和2100 小时等效飞行。这种C/C复合材料鱼鳞片内衬比传统材料减重38%。1992 年美国LTV制造C/C涡轮转子在1649℃下试车成功。据称, 美国的F100 已经将C/C复合材料用于发动机燃烧室喷嘴。法国的幻影2000 等型飞机的发动机加力燃烧室喷油杆、隔热屏、鱼鳞片等零件已经采用C/C复合材料制造。美国IHPTET计划中的F119 及法国的M88-2 发动机也是将C/C复合材料列为制造发动机喷管的热结构材料。IHPTET第二阶段中的JETEC研究中的排气喷管由中空的C/C支板和内外流道壁焊接而成, 试验表明:该焊接组件可以承受超过7500 磅力的轴向载荷。在发动机中, 无冷却的C/C排气喷管最高温度可以达到1649℃。XTL86 验证机采用C/Si C涡轮叶片、C/C喷管等技术提高推重比和降低费用, 其推重比提高76%, 成本降低47%。
2.3 国外膨胀石墨产业的发展现状及趋势
本世纪六十年代美国联合碳化物公司首先研制成功膨胀石墨密封材料开始, 五十年间, 柔性石墨已进入许多领域甚至一些高技术领域。全世界柔性石墨产量最大为8.5~10.0 万吨以上。目前, 美、日、德、法的柔性石墨产业居领先地位。日本生产核能级的超低硫 (S<500ppm) 及高纯 (S<50ppm) 产品的技术领先。其中, 高纯柔性石墨只有日本能够生产。
2.4 国外活性炭产业的发展现状及趋势
活性炭是一种孔隙发达、比表面积大、吸附能力强的功能型碳材料, 其耐酸、耐碱、耐热, 且在使用失效以后可方便再生, 被广泛应用于工业、农业、国防、交通、医药卫生和环境保护等各个领域, 在保护人类生存环境中发挥着越来越重要的作用。
随着世界工业的发展以及环境保护要求逐步提高, 世界范围内活性炭的生产量和消费量逐年增加。2009 年, 全世界活性炭总消耗量达到83.3 万t, 据预测, 到2014 年, 全世界活性炭消费量预计可达到138.8 万t, 预计年增长率为10.8%。2009 年国外主要活性炭生产国和地区活性炭生产能力见表5。
从20 世纪80 年代末开始, 我国一直是美国最大的活性炭输出国, 主要输出中、低档活性炭产品, 因此, 美国的活性炭市场需求与我国活性炭产业发展关系十分密切。与此同时, 美国又是世界上最大的活性炭生产国和消费国之一。未来几年空气净化领域的增长率高达65.4% ~ 66.4%, 其中燃煤电厂控制汞排放用粉状活性炭是主要增长点。2005 年3 月美国环保总署 (EPA) 制定联邦法规, 要求永久减少燃煤电厂和水泥厂的汞排放量。而活性炭附是控制汞排放最有效的方法之一。据有关机构预测, 2014 年, 美国市场用于燃煤电厂和水泥厂汞吸附的活性炭需求量将达到42 万t / a。从表2 还可以看出, 水处理已经成为当期美国活性炭的主要应用领域之一, 水处理用粉状活性炭用量已经达到50% 左右;在气相领域, 2009 年粉状活性炭用量达到4.2 万t / a, 超过颗粒活性炭 (用量为2.6 万t /a)
日本是世界活性炭使用仅次于美国的国家, 位居全球第2。日本也是我国第1 活性炭出口目的地。2009 年, 日本活性炭年生产能力为10.22 万t, 进口活性炭8.43 万t, 出口活性炭0.68 万t。日本主要活性炭生产企业包括卡尔岗三菱化学株式会社、武田药品工业株式会社及二村化学工业株式会社, 主要生产高质量、高档次的活性炭产品, 其生产能力都在1 万t/a以上。
我国活性炭出口的3 大地区除东亚、美国之外, 欧洲市场也是我国传统的活性炭出口目的地。2009 年西欧各国活性炭消耗量为14.9 万t, 主要消费国是德国、法国、意大利、英国和西班牙等。其中最大的Norit公司年生产能力为4.6 万t, 占欧洲整个活性炭产量的52%。
3 新型碳材料产业的国内发展现状及趋势
3.1 概述
我国碳材料研究与生产起步于解放初期。在前苏联的援助下, 首先建设了以生产炼钢用石墨电极为主的吉林碳素厂和以生产电工用碳制品为主的哈尔滨电碳厂。四十余年来, 我国碳素工业从无到有, 有了长足的发展。现在已经形成了以吉碳、兰碳、上碳、哈碳、东碳等为主的骨干企业, 石墨电极生产能力达30 万吨/ 年, 位居世界前列, 电碳制品也基本满足了国内经济建设的需要。但是我国碳材料工业和先进国家相比, 无论在规模、质量、工艺装备、管理、科研、应用开发等方面都存在很大差距, 仅大体上相当于国际上80 年代的水平。具体表现在品种少、档次低 (如我国石墨电极仍以普通电极和高功率电极为主, 而国外己上升为超高功率电极) ;产品质量不稳定;工艺装备落后;产品更新缓慢等。我国碳材料的科研水平从整体上来说落后于美国、前苏联、日本和欧共体等工业国家, 但远远高于韩国、印度、巴西等国。在某些重要领域我国紧随着美、日等发达国家之后, 差距并不十分明显, 如热解石墨、结构功能型碳/ 碳复合材料、活性碳纤维、柔性石墨等。进入21 世纪以来, 随着碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料的兴起, 我国碳素领域面临新的发展机遇, 相关研究在世界上占有重要地位, 研究水平达到世界先进水平。目前我国从事碳材料研究的科研机构主要有中科院金属所、中科院山西煤化所、中科院物理所、航天总公司西安航天复合材料研究所、航天材料及工艺研究所等、西北工业大学、湖南大学、中南大学、清华大学、北京大学、武汉大学、中国科技大学、武汉科技大学、北京化工大学、天津大学、哈尔滨工业大学、陕西华兴航空机轮公司等。主要研究领域涉及当今碳材料研究与开发所有的热点领域, 如碳纤维、活性炭材料和微孔碳、金刚石膜、富勒烯族、柔性石墨、插层化合物、C/C复合材料、纳米碳管、石墨烯、生物碳材料、核石墨等。
3.2我国纳米碳材料产业发展现状
(1) 碳纳米管
碳纳米管具有非常高的强度、刚性和韧性, 耐强酸和强碱。其全部由碳原子组成, 缺陷少, 密度低, 具有很高的轴向强度和刚度, 其性能优于通用级碳纤维, 被看作是理想的复合材料增强相。利用碳纳米管所具有的极好的导电特性、电致发光特性和长径比值达104等性能, 可制备导电聚合物复合材料。碳纳米管的电子结构的金属性质或者半导体性质取决于其直径和螺旋度, 因此, 不同直径和螺旋度的碳纳米管可以作为功能电子器件、微型电路的导线、最小的半导体装置、纳米级的晶体三极管、逻辑门和线路的连接件, 应用于微电子器件领域。碳纳米管特殊的力学、电子、热学性能, 使得其可以用于制作各种传感器, 具有结构紧凑、耗能低、操作安全的特点, 表现出良好的灵敏度和可选择性。碳纳米管结晶度高, 导电性好, 比表面积大, 微孔集中在一定范围内, 可用于制备双层超级电容器。碳纳米管具有优异的物理、化学和机械性能, 其巨大的潜在应用价值得到了广泛的关注。
目前, 世界主要国家关于碳纳米管的研究势头不减, 仍然是各国研究的热点领域。中国的研究论文数量从2003 年开始, 超越日本, 仅次于美国。中国在碳纳米管领域的专利申请首次出现在1996 年 (如图14 所示) , 随后几年发展十分缓慢, 1996 ~ 2000 年的专利申请总量不足100 件, 2000 年的申请量为47 件, 我国碳纳米管技术在这一时期处于萌芽阶段。直到2001 年, 相关中国专利申请量才开始出现一定程度的增长, 申请量达到82 件。从2002 年起, 相关中国专利申请量开始出现实质性的大幅增长, 2002 年的申请量为222 件, 为2001 年的近3 倍, 之后一直保持强劲的上升势头。这表明我国碳纳米管相关专利技术进入快速发展轨道, 碳纳米管技术正引起业界重视, 处于高速发展阶段, 前景良好。
当前, 国际上技术领先的国家关于碳纳米管的研究主要集中在生长工艺、生长机理、结构表征、材料性能等方面, 我国在碳纳米管制备与应用领域, 以中国科学院、清华大学、北京大学等为代表的科研院所、高校, 在诸多领域取得了突破, 各种形式的碳纳米管宏量制备技术逐渐成熟, 复合和电池市场正在扩张, 高端器件和高端结构材料的应用市场正在培育和发展, 进而促进碳纳米管的产业化。
多个国家成功地实现了碳纳米管 (尤其是聚团状多壁碳纳米管) 工业化生产。中国、日本、美国、德国、法国、比利时和韩国等国家的公司开发的CVD法批量制备碳纳米管技术已形成了上千吨的年产能。电弧放电法合成单壁碳纳米管质量高、缺陷少, 是另一种合成单壁碳纳米管的有效方法。基于清华大学范守善研究组的超顺排阵列放大也取得了较大进展, 提供了一种较简易的制备高端碳纳米管宏观体的有效方法。目前, 在市场上已有多种类型的多壁和单壁碳纳米管样品供应, 这显著促进了碳纳米管的应用。随着批量制备技术的快速发展, 碳纳米管的价格大幅下降。10 年前, 碳纳米管的价格高于黄金 (45$/g) ;现在, 多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的价格分别为0.2~25 $/g和50~400 $/g, 但仍高于碳纤维的价格 (0.1~5 $/g) , 主要是其产能比碳纤维低1~2 个数量级。一些特种碳纳米管的价格仍然较高, 如富集了半导体性管或金属性管的单壁碳纳米管 (大约500 $/mg) 、长度/ 表面功能性碳纳米管和掺杂碳纳米管等。碳纳米管高价格的原因主要是其生产、纯化过程的高成本, 缺乏稳定大量的市场需求所致。由于不同碳纳米管生产方法在产品产量上的差异, 碳纳米管售价也会产生很大差异。可以预测, 碳纳米管的价格在未来存在进一步下降的空间, 从而达到终端用户所能接受的合理市场价格。但是, 可利用的碳纳米管仍然会比大部分化学产品和其他原材料 (如碳黑、碳纤维) 价格要高。
目前, 碳纳米管主要应用于锂离子电池电极材料、抗静电纤维复合材料、汽车轮胎复合材料、体育用品增强复合材料和超级电容器电极材料等领域。在碳纳米管进一步走向市场和产品的过程中, 碳纳米管的标准化势在必行。我国于2009 年10 月30 日宣布了多壁碳纳米管的标准 (GB/T 24491–2009) 及其纯度的测量方法 (GB/T 24490–2009) , 并于2010 年6 月1 日开始执行;ISO/TC 229 和IEC/TC联合工作组在2010 年4 月19 日发表了关于碳纳米物质词汇的技术规范 (ISO TS80004-3) ;IEEE正在开发超净间内碳纳米管的加工过程标准;2011 年, 美国国家标准技术研究所公布了单壁碳纳米管的标准样品。 这些标准化方面的努力将有助于碳纳米管的独立商品化、兼容性、互用性、安全性和可再生性的发展。关于其他各种类型的碳纳米管的标准、分析和检测仍然需要进一步开发。
(2) 石墨烯
近几年, 石墨烯逐渐引起了我国;政府、学术界和企业界的高度重视。2012 年, 工业和信息化部发布《新材料;产业“十二五”发展规划》, 规划中的前沿新材料就包含了石墨烯。虽然现阶段我国石墨烯尚没有大规模量产, 也没有形成规模化的应用, 但它作为新材料板块在“十二五”规划出台后的首个热点, 有望通过市场的关注形成良好的产业带动效应。此外, 国家科技重大专项、国家973 计划围绕“石墨烯宏量可控制备”、“石墨烯基电路制造设备、工艺和材料创新”等方向也部署了一批重大项目, 取得了一系列创新成果, 国际影响力逐步提升。国家自然科学基金也启动了多项重大研究计划, 取得了相应的进展。截至2012 年, 全球被SCI收录的关于石墨烯的研究论文共有17361 篇。其中申请数量排在全球前2 位的国家是中国和美国 (表6, 7) , 发表的论文总数占全球总量的一半。美国作为世界科技最发达的国家, 其发表的关于石墨烯研究方面的文献达4730 篇, 占总量的27.3%;我国在石墨烯研究虽然起步晚于美国, 但在这几年的努力下, 文献发表量达到了5072 篇, 占比29.2%, 超过美国位居全球首位。
根据新世界专利搜索 (Soo PAT) 专利检索引擎, 截至2013 年6 月, 目前国内机构共申请5000 余件石墨烯相关的发明专利, 超过美国而成为世界第一, 也从侧面反映出国内近几年在这一领域的活跃状态。国内目前在石墨烯方向专利主要还是集中在各大院校以及研究机构当中, 如浙江大学、北京大学、清华大学、天津大学、上海交通大学等院校以及中国科学院下属的各个院所等科研机构等。相对于高校和研究院所来说, 国内企业在石墨烯专利方面的涉及还有待进一步加强。
从石墨烯产业目前的发展进程看, 我国在石墨烯的散热、导电等特性的应用方面, 已迈入产业化门槛。2012 年1 月, 全球首款智能手机石墨烯电容触摸屏在江苏常州二维碳素科技有限公司研制成功。2013 年5 月, 全球最大规模的石墨烯透明导电薄膜生产线又在该公司正式投产, 年产能达到3 万平方米。2012 年9 月, 浙江宁波墨西科技有限公司年产300 吨的石墨烯项目正式投入建设。2013 年4 月, 贵州新碳高科有限责任公司正式宣布推出我国首个纯石墨烯粉末产品——柔性石墨烯散热薄膜。2013 年11月, 国内最大的年产100 吨氧化石墨 (烯) / 石墨烯粉体生产线在常州第六元素材料科技股份有限公司正式投产。2013 年8 月, 江苏无锡惠山经济开发区启动建设国内首个石墨烯创新发展示范基地。
3.3 我国碳基复合材料产业发展现状
C/C复合材料的研究开发工作在我国始于上世纪70 年代, 主要研制固体发动机喷管、喉衬和飞机刹车盘等。到了90 年代后期, C/C复合材料的致密化工艺逐渐完善, 且在快速致密化工艺方面取得了显著进展。C/C复合材料在制备工艺, 复合材料的结构设计以及力学性能、热性能和抗氧化性能等方面基础理论及方法的研究, 进一步促进和扩大了该材料在航空航天、军事以及民用领域的推广应用。多种快速高效致密化工艺的工程化应用, 使C/C复合材料的成本得到大幅降低, 在常规战术武器喉衬中得到广泛应用。尤其是作为飞机刹车盘, 以中南大学2004 年获得国家技术发明一等奖为转折点, 目前已有华兴航空机轮公司、西安超码科技有限公司、湖南博云新材料股份有限公司、北京百慕航材高科技股份有限公司、陕西蓝太航空设备有限责任公司、北京北摩高科摩擦材料有限责任公司、烟台冶金新材料研究所、汕头西北航空用品公司等专业生产飞机刹车盘的公司通过民航的生产认证。
近年来, 基体碳织构控制、抗氧化涂层、基体改性抗烧蚀等技术也取得较大进展, 促进了该材料在固体火箭发动机扩散段、发动机燃烧室, 各种再入式航天器的热防护系统、航空发动机热结构部件中的应用。今后C/C复合材料将向着低成本、高性能化的趋势发展, 降低成本以促进其向民用及常规兵器领域拓展, 提高其抗氧化和高温力学性能以满足新型航天及航空飞行器热结构件的使用要求。
3.4 我国膨胀石墨产业发展现状
我国是天然石墨资源第一大国 (世界上2/3 的储量在我国) , 但关于膨胀石墨 (Expanded Graphite, 简称EG) 的研究要比国外晚许多。膨胀石墨是一种软质新型碳素材料, 它是70 年代首先由美国联合碳化物公司开发, 压制成用于高温或防腐蚀介质的密封材料, 从此膨胀石墨又一次成为人们关注的焦点。从而相继发现了膨胀石墨优良的导电、导磁、超导、储氢、吸附等性能;并相应的开发应用于高导材料、超导材料、电池材料、催化剂材料、储氢材料、密封材料、吸附材料等领域。并于78 年开始引入我国, 开始了对膨胀石墨大量的理论与实际应用方面的研究。国内已在许多石油化工厂和炼油厂的生产设备中得到实际应用。
3.5 我国活性炭产业发展现状
中国是世界上最大的活性炭生产国和出口国。20 世纪80 年代, 活性炭产业逐渐形成规模, 中国活性炭生产企业已由20 世纪80 年代初的几十家增至目前的300 余家, 总产能达50 万t/a, 其中煤基活性炭生产企业200 多家。2013 年中国活性炭年总产量约35 万t, 其中煤基活性炭产量约25 万t。中国活性炭主要分为两大类, 一类是以木屑、椰壳、果壳或其他木质材料为原料的木质活性炭, 另一类是以煤炭为原料的煤基活性炭。其中木质活性炭产能主要集中在江西、福建和浙江等地, 煤基活性炭产能主要分布在煤炭主产区, 如山西、宁夏等地。从中国活性炭产业结构来看, 煤基活性炭产量占中国活性炭产量的70% 以上, 近几年新建的万吨级活性炭厂主要以煤基活性炭为主。
目前, 我国活性炭产业呈现出如下特点:
(1) 工业布局:煤基活性炭生产主要集中在山西和宁夏, 目前这2 大基地的煤基活性炭产品产量占全国煤基活性炭产量的90% 左右;果壳活性炭生产以河北为主;木质活性炭生产主要集中在福建、江西、浙江南部及东北地区。
(2) 原料:以木质原料生产的活性炭所占比重逐渐下降, 以煤为原料生产的活性炭所占比重呈上升趋势。木质活性炭所占比重从20 世纪70 年代占我国活性炭总产量的80% 下降到20 世纪90 年代的不足30%, 同期煤基活性炭从15% 上升到70%, 而且这种趋势至今一直没有改变, 煤基活性炭是以煤为主要原料制成的活性炭, 原料煤的物理化学性质对煤基活性炭的产品性能有重大影响。近年来, 我国在活性炭原料煤处理方面加大了研发力度, 研究开发的活性炭原料煤深度脱灰技术, 能够生产灰分极低 (灰分约2% 以下) 的超低灰煤。而以超低灰煤为原料生产的活性炭, 杂质含量低、附加值高, 成为新一代的优质活性炭产品。另外, 采用压块成型技术可以生产出强度高、孔隙结构可随意调整、孔径分布均匀而合理、无漂浮且在液相中下沉速度快、吸附性能优越的活性炭产品。
(3) 产品用途:从20 世纪70 年代, 活性炭的应用范围还主要集中在食品、军事、医药、化工等行业。随着工业技术的不断发展, 各国环保意识的提高, 目前的活性炭应用已经扩展到了国民经济的各个方面。
(4) 产品特点:由于原料的优化、应用领域的拓展, 目前国内的活性炭产品已经逐步向多品种、高附加值方向发展。随着出口量的增加以及企业技术的不断革新, 国内外客户对活性炭产品的要求不断提高, 国内活性炭产品的品质也随之不断提升。
(5) 生产方法:目前, 国内约68% 左右的活性炭产品为煤基活性炭, 煤基活性炭以优质煤为原料, 经过碳化、冷却、活化、洗涤等工艺一步步精制而成。生产技术也由最初的单种煤生产活性炭, 逐步过渡到配煤生产活性炭及催化活化生产活性炭阶段。
4 发展我国新型碳材料产业的主要任务及存在主要问题
从几种典型新型碳材料的国内外产业化现状可以看出, 国内在几种典型新型碳材料在产业化方面还与欧美等发达国家还有一定差距, 尤其是在碳基复合材料、活性炭、高性能石墨等碳材料方面, 差距还较为明显。下面逐一介绍几种碳材料目前产业化方面存在的主要问题。
4.1我国纳米碳材料产业发展存在的具体问题
(1) 碳纳米管
国内尽管碳纳米管的宏量制备技术得到了长足发展, 但对单根碳纳米管的严格控制和稳定质量相关的实践经验仍然缺乏。关于碳纳米管的手性、缺陷密度、管端开闭、生长速度、全同长度与壁数仍缺乏有效的控制和监测手段。碳纳米管的催化机理和聚集行为相关理论不够完善。必须在综合考虑碳纳米管合成化学、碳纳米管相互作用物理学及化学工程科学的基础之上才能找到有效的解决途径。
与传统大量化学品相比, 碳纳米管距离大规模应用 (百万吨量级) 还很遥远。这主要是因为其在合成和后续处理上仍存在较大困难。例如, 碳纳米管的结构、生产过程和应用特性之间很强的耦合关系, 冗长的分散和复合过程仍有待工程突破, 精确的组装和优异性能的发挥仍然非常困难。但是, 这些涉及碳纳米管应用的分散、复合、结合等科学问题, 需要更为深入的研究提出解决策略, 进而改变未来制造业的理念及方法。纳米产业其成功实现的核心在于将前沿的纳米研究与目前工业界所使用的碳材料概念 (如纯度、粒径和分散等较为粗放的特征) 进一步结合。这类复杂的耦合需要科学家和工程师超越单一视角去设计生产路径, 从而实现一个贯穿碳纳米管合成和应用的相关流程。通过学术界和工业界的共同努力跨越技术鸿沟, 增强公众对纳米产品的理解。作为一个新兴工业, 只有继续深入探索碳纳米管的基础和工程科学问题才能够促进碳纳米管工业可持续化发展。目前, 关于纯碳纳米管的毒性并没有定论, 但是为了维持碳纳米管工业的可持续化发展, 需要进一步建立包括碳纳米管安全性在内的国际标准及其相关分析方法, 需要建立政府- 工人- 工业的合作关系, 从而发展一个安全、高效、经济的碳纳米管生产和应用过程。
(2) 石墨烯
目前我国石墨烯产业仍处于初始阶段, 尚存在一些影响石墨烯产业发展的问题。
①缺乏整体规划和引导。石墨烯技术包括制备技术、材料技术、工艺技术以及应用技术, 在缺乏总体规划和引导的前提下, 政府扶持力度远远低于国外, 各研究机构低水平重复研究的现象比较普遍。另外, 目前国内石墨烯企业良莠不齐, 大多数企业停留在概念炒作的阶段, 全国真正投入力量参与石墨烯研发的企业不超过30 家。
②缺乏自主创新能力。石墨烯高端领军人才主要集聚在美国、英国、韩国等发达国家的高校和跨国大企业。与先进发达国家相比, 我国虽然科研人员很多、成果也很多, 但顶尖性、原始性成果较少, 大多采用跟踪研究的方法, 处于追赶状态, 重大创新不多。此外, 研究成果主要集中在基础研究领域, 应用技术相对薄弱。国内从事石墨烯研究的主要是高校和研究机构, 企业在科研方面的投入力度远逊于国外企业, 在石墨烯领域提交专利申请的企业更是少之又少。
③缺乏市场化能力。石墨烯产品研发与应用脱节现象严重。从设备水平看, 国内绝大多数高校仍处在科研小试和中试阶段, 绝大多数企业也处在小批量生产的摸索阶段, 还不能形成稳定的规模化生产能力。从材料应用看, 主要的应用成果绝大多数还停留在实验室阶段。石墨烯在产品上的应用还处于初始阶段, 并没有真正形成下游的应用和需求, 大规模产业化应用尚需相当长的一段时间。从资金投入看, 各类投资资金也仅处于初始试探阶段, 与国外大规模资金投入相比, 我国的资金投入力度远远不够。
④缺乏资源整合能力。石墨烯产业需要创新链、产业链、资金链和服务链多链融合才能寻求产业突破, 但目前我国在产业上下游、产学研合作、产业与金融对接、知识产权转移等方面尚未建立有效的资源共享机制, 导致资源分割, 各领域初步形成的优势呈现“碎片化”特征, 急需在全国范围内统筹形成各方资源系统集成的能力。
⑤缺乏行业标准。石墨烯产业的发展涉及多学科和多产业, 是一项系统工程。从国外碳纤维新材料的发展规律看, 行业标准对规范研发和产业化起到至关重要的作用, 但我国的石墨烯从研发到应用缺乏系统性, 相应数据库、检测、标准及应用验证体系支撑不足, 严重制约产业的发展。
4.2 我国碳基复合材料领域存在问题
国内碳/ 碳复合材料产业化较为成熟属其作为飞机刹车盘使用。在此领域, 虽然国内已经具备了一定的产业化规模, 但是缺乏针对炭刹车材料的测试标准和炭刹车副的台架试验技术规范。国外成熟的刹车副制造商均有针对炭刹车材料的测试标准和炭刹车副的台架试验技术规范, 对于具体机型如波音B757、A320 等, 都有主起落架机轮和炭刹车的地面动力试验台模拟试验验证技术规范。但各公司均将其作为技术秘密, 没有公开发表。由于国外在本行业实行技术封锁, 目前我国没有统一、成熟的商用飞机用炭刹车材料性能测试规范、炭刹车副产品台架模拟试验验证技术规范和炭刹车副产品使用寿命评估试验技术规范。飞机炭刹车盘是飞机刹车系统中重要的易耗件。到目前为止, 国际市场飞机炭刹车盘全部由美、英、法三国四家公司所垄断, 国内只有A320、波音B757 等机型采用部分国产PMA件。目前, 我国企业在进行PMA件适航符合性验证时, 都根据中国民航局适航司发布的“运输类飞机炭刹车盘替换件合格审定符合性方法” (AC - 25 - AA - 2008 - 02) 形成了各单位的试验大纲, 但国内还没有形成统一的、完整的大型商用飞机炭刹车副符合性验证方法。
在国防领域, 随着我国国防技术的快速发展, 对高性能大型C/C复合材料复杂构件、低烧蚀C/C复合材料、低热膨胀系数C/C复合材料构件的需求越来越紧迫。虽然国内多家单位如航天一院、航天四院、西北工业大学等单位都具备了一定的大型复杂C/C复合材料构件的制备能力, 但是整体性能尤其是大尺寸复杂构件的性能还不能满足某些坎坷服役环境的要求, 有些领域甚至成为了限制总体发展的瓶颈技术, 亟待解决。
4.3我国膨胀石墨产业发展存在的具体问题
(1) 理论研究尚处于初级阶段
我国自20 世纪70 年代开始对可膨胀石墨及其制品进行研究, 但这仅局限于部分高校及一些大型国有石墨企业, 尽管也取得一定的成绩, 但由于缺乏行业指导、系统规划, 大多是闭门自锁、各自为战, 且项目重叠现象严重, 未向更深层次发展。因此有待于行业进行总体规划、合理分工, 多方联合, 加快理论研究的纵向深入。
(2) 生产方式落后、污染严重
目前大多数生产企业, 生产方式都比较落后, 尤其是一些乡镇及个体企业, 多为作坊式生产, 质量无法保证。当前可膨胀石墨的生产多是采用硫酸作插入剂, 辅以强氧化剂或以电解方式经酸化、洗涤、脱水、烘干加工而成, 由于该种方式插入剂消耗量大, 洗涤用水量和污水排放量居高不下。且多数生产厂家没有解决废水处理问题, 处于自然排放状态, 环境污染严重, 严重制约着该行业的发展。
(3) 产品质量大多处于低级水平
目前可膨胀石墨的年产量达到25 000t左右, 其中80% 为低档产品, 仅能满足一些领域的低档次应用。况且国内对可膨胀石墨及其制品至今仍没有形成一套完整具体合理统一的标准, 多数生产企业也没有完整的检测体系, 对产品指标把握不准, 形成了盲目生产、无标生产、仅凭经验去干的局面, 结果产品质量波动幅度很大, 以如此的原料再去加工制品, 其质量可见一斑。
4.4 我国活性炭产业发展存在的具体问题
如前所述, 近年来, 在下游用户的推动以及企业自身的努力下, 我国活性炭产业有了长足的进步, 但和发达国家相比仍存在较大差距, 主要体现在产品质量和产品品种2 个方面。未来, 我国的活性炭生产企业还需在这2 方面下足功夫, 以增强中国活性炭产品在国际市场上的竞争力。
在产品质量方面:我国生产的煤基活性炭品质不高, 孔容小、比表面积低、吸附性能差, 而且品种单一、产品的质量也不稳定。同时, 还由于我国活性炭出口多头经营、竞相压价以争取外商, 造成活性炭的价格偏低, 目前我国活性炭的出口价格只相当于国际市场上同等质量活性炭价格的1/3~1/2, 甚至更低。这种无序状况已导致了严重的后果:一方面外商进一步压价, 并提出对产品质量的更高要求, 甚至要派员驻厂监督;另一方面, 易引起外国同行协会或商贸部门反倾销诉讼。这已严重影响了我国活性炭在国际市场的竞争力甚至国家的商业信誉。
目前, 我国活性炭生产和销售的实践均证实, 通过增加活性炭产量可以提高产品的产值, 但单位质量产品的利润率不仅得不到提高, 反而是越来越低, 甚至对活性炭行业在一个时期内造成毁灭性的打击。造成这个结果的原因, 有市场供求关系变化、活性炭应用途径对活性炭质量指标的改变等方面的影响, 但其最根本的原因是我国活性炭出口多头经营、缺乏管理、竞相压价争取外商所引起的活性炭市场的无序化状态。在这种情况下再通过盲目提高活性炭产量发展活性炭工业, 显然是行不通的。
另外在产品品种方面:虽然我国活性碳经过20 余年的快速发展, 我国活性炭生产企业已由20 世纪80 年代初的几十家增加到目前的300 余家, 总生产能力达到50 万t, 活性炭品种几十个, 牌号达100 多种, 其中, 煤基活性炭生产企业近200 家。2011 年, 我国活性炭总产量已经达到35 万t, 其中煤基活性炭产量约24 万t。但是, 目前水处理是国内活性炭最主要的应用领域, 约占市场需求量的60% 以上。为提高我国活性碳的国际竞争力, 必须在提高产品质量的同时, 扩展其应用领域, 开发新型活性碳品种。
5 推动我国新型碳材料产业发展的对策和建议
5.1我国纳米碳材料产业发展建议
(1) 碳纳米管
碳纳米管技术是一门年轻学科, 其研究和应用方兴未艾。目前, 其正处于快速发展时期, 研究成果逐渐增多, 应用范围日益广阔。国内相关高校和科研机构以及龙头企业作为主体推动了该领域科学研究在我国的持续升温。近年来, 国内的相关专利申请量和申请人数量增长非常迅速, 所涉及的技术主题也逐渐增多。针对我国碳纳米管领域专利技术的发展, 提出如下建议:
①我国相关企业需要加强在碳纳米管领域的研发投入。目前富士康集团在国内碳纳米管技术发展和专利布局中处于领先地位。希望更多的国内企业能够加入到碳纳米管技术的研发中, 形成有效的竞争机制, 以促进整个行业的发展。
②国内众多高校和科研机构在碳纳米管领域具有一定的技术积累和创新能力, 但在产业应用方面缺乏足够经验。国内相关企业和高校及科研机构之间应该充分发挥各自的优势, 围绕重大项目推进碳纳米管技术的产学研合作, 以清华大学与富士康集团的合作为典范, 在整个行业中广泛开展产学研合作, 促进我国碳纳米管技术基础研究与产业化开发的有机衔接, 在此过程中把握科技发展方向, 抓住产业发展机会, 有效、合理地利用行业资源, 实现我国碳纳米管技术的跨越式发展。
(2) 我国石墨烯领域发展建议
从整体情况来看, 我国石墨烯产业发展还是以研发为主, 规模化制备工艺还不成熟, 难以实现低成本、规模化、高性能的石墨烯产品制造;完整的产业链尚未形成, 下游仍没有一个可以实现石墨烯的规模化应用的领域;目前对石墨烯产品的需求仍然集中在各大院校及科研机构, 所用产品也仅限于样品。因此, 实现石墨烯在下游某一两个应用领域的突破是当前我国石墨烯产业化工作的重中之重。石墨烯应用于不同领域所面临的技术难题、市场需求均有不同, 在国内的产业化应用目标必须依据我国工业基础, 由简入繁、因势利导、有目的、有规划、分阶段, 逐步推动石墨烯的商业化应用。尽管到目前为止石墨烯还没有实现大规模的产业化应用, 但是石墨烯在近几年有望在部分领域实现应用突破, 这些应用领域的共同特点是石墨烯不是主成分而是作为添加剂的形式, 利用石墨烯非常优异的导电导热等性能, 改善最终产品的相应性能。目前, 这些领域对石墨烯的要求并不是很十分苛刻, 本身的工艺难度也相对较小, 而且中国在这些应用领域有很强的技术实力和生产基础, 在国际上也有较强的市场竞争力, 因此在国内更容易实现产业化, 而且已经有不少公司在这方面做了大量的工作。
我国石墨烯产业发展的政策建议:
①制定石墨烯产业发展规划, 加强对产业的统筹引导
应在国家层面系统规划石墨烯产业的技术路线和产业化路线, 明确石墨烯产业发展的阶段目标、重点领域、资金来源、政策体系等重大问题, 确立合理的组织框架, 推动材料、设备、工艺和应用齐头并进, 促进上下游的协调发展。在制定产业发展规划过程中, 应把握好三个方面的关键点: 一是充分发挥科研院所和创新企业的积极性, 兼顾技术和市场两个方面的发展趋势, 遵循创新规律和产业规律。既要考虑技术的前瞻性, 又要考虑技术的应用性、集成性和可转化率;既要考虑产业发展的高端性, 又要考虑产业化的可行性、规模性和经济性。二是统筹兼顾当前和长远的关系, 既要准确把握国际、国内石墨烯产业发展的方向, 又要选准阶段性的突破方向, 实现技术引领产业发展, 形成产业促进技术提高的良性循环。三是正确处理政府和市场的关系。政府扶持的重点在于初始阶段的政策引导和财税支持, 要充分激发企业和市场在技术创新和产业创新中的主体作用, 既要加大扶持力度, 又要通过杠杆效应撬动更多的社会资源聚焦石墨烯产业。
②加大科技创新力度, 加强自主创新能力
应在国家层面设立重大科技专项, 进一步加大对石墨烯技术创新的支持力度。引导国内高校投身于石墨烯研究, 大力引进国外领军型创新创业人才, 充分调动企业研发的积极性, 注重关键、核心和前沿技术的研发。加大科技成果转化力度, 突破产业化的技术、工艺和装备的瓶颈制约, 不断提高石墨烯产业核心竞争力。重点打造“三大平台、一个高地”: 一是在高校建立石墨烯国家重点实验室, 在基础研究上保持与世界同步水平。二是在企业建立石墨烯国家工程技术研究中心, 在应用技术和工艺技术上实现重点突破。三是学习借鉴德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会和中国台湾工研院的模式, 鼓励和支持发展石墨烯产业技术研究, 重点聚焦产业前瞻性研究项目和系统集成项目。此外, 还要建立人才高地, 抢抓全球人才加速流动的机遇, 以全职人才和柔性人才两种方式, 面向全球招揽高端人才。
③ 坚持市场导向, 促进研发与商业化并行发展
重点开展产业化前期的应用技术开发, 支持和引导生产企业、研究设计机构与应用单位联合开发各种石墨烯增强复合材料、零部件及成品, 扩大工业领域的应用市场。主要应在三个方面加强研发与商业化的有机融合:一是大力发展“研发机构+ 孵化器+ 加速器”的三位一体模式, 实现从技术研发到成果转化的一站式服务。二是鼓励下游终端应用企业持股孵化石墨烯初创企业, 通过市场需求引导技术研发的方向。三是重点支持研发机构和终端应用企业联合承担科技成果转化项目, 集中研发机构与企业的创新资源, 缩短技术研发与产业化的间隔时间。在未来一到两年, 建议重点在三个方面形成突破: 一是利用其导电性, 在触摸屏、超级电容和动力电池方面有所突破。二是利用其导热性, 在散热材料方面有所突破。三是利用其相容性和耐腐蚀性, 在生物医药、涂料和复合材料方面形成突破。
④ 深化科技体制改革, 提高协同创新能力
坚持企业在创新中的主体作用和市场在创新资源、生产要素配置中的决定性作用, 不断深化和完善“以企业为主体、市场为导向和产学研相结合”的技术创新体系, 鼓励科技与人才相结合、科技与市场相结合、科技与金融相结合, 促进技术、市场、人才、资金多元融合的体制机制, 集聚政、产、学、研、用、资、介等各类创新资源, 大大提升石墨烯产业的资源整合能力。重点在三个方面实现体制机制创新:一是探索产学研紧密结合的机制。推进企业、高校和科研院所建立优势互补、利益共享、风险共担的合作机制, 实现技术链与产业链的无缝对接、双向融合和优势叠加。二是探索科技、金融紧密结合的机制。大力发展符合新兴产业特征的金融产品和服务, 支持天使投资、科技支行、科技保险、科技小贷和科技保险等新型金融业态, 建立风险补偿、基金扶持等配套政策, 加快构建多元化的资金链, 有效破解新兴产业发展的资金难题。三是探索“有形”和“无形”紧密结合的机制。在发挥企业主体作用、激发市场活力的同时, 进一步强化政府的引导和服务功能, 实现政府“有形之手”和市场“无形之手”的协同配合。
⑤ 建立产业技术创新联盟, 抢占产业发展的主导权
石墨烯是交叉科学的产物, 单一机构不可能在所有的科学领域都处于领先地位。因此, 只有不同的单位组建联盟, 进行技术研发合作并形成合力, 才能实现产业创新。目前, 石墨烯处于产业化和商业化的临界点, 从战略上来说, 各机构应联合起来共同推进石墨烯产业的发展。当务之急是加快推进三方面工作:一是充分发挥产业技术创新联盟的力量, 加快制定石墨烯的国家标准, 积极抢占石墨烯的国际市场。二是依托高校和龙头骨干企业, 加快建成一批石墨烯产业的技术创新平台、技术检测平台以及知识产权服务平台。三是依托科技情报和中介服务机构, 提升石墨烯产业的高端服务能力, 准确把握石墨烯产业的发展趋势。
5.2 我国碳基复合材料领域发展建议
根据国外碳/ 碳复合材料技术的发展和国内企业的生产实践, 要保持和提升我国在该领域的国际竞争力, 同时为我国航空、航天及军事工业发展提供材料支撑, 国内仍需在以下方面进一步发展和提高。
(1) 加强低成本制备工艺的开发, 促进C/C复合材料向常规武器及民用领域的拓展应用, 同时提高我国碳刹车盘的国际竞争力。
(2) 强化致密化过程中的织构调控, 确保材料性能及其稳定性。
(3) 加强质量管理, 保证构件性能的稳定性, C/C复合材料的性能分散性较大, 需要在预制体质量控制、致密化工艺控制、后处理工艺控制、机械加工工艺控制等一系列的工艺环节中严格控制质量, 降低性能分散性, 保证产品质量稳定性。
(4) 针对不同服役环境, 进一步开发抗氧化、抗烧蚀技术, 满足航空、航天等领域中苛刻服役环境对材料的性能需求。
(5) 进一步提高化学气相渗透的速度, 缩短生产周期, 降低生产成本, 使我国炭刹车材料具有更好的经济性。
(6) 在刹车盘等商业应用领域, 强化技术积累, 促进企业技术升级, 提升产品质量, 缩小与美、英、德、法等传统强国的差距, 提升产品国际竞争力, 同时向更多机型拓展。
5.3 我国膨胀石墨领域发展建议
(1) 发展低硫可膨胀石墨及其制品
硫在可膨胀石墨及其制品中是一种有害元素、它对设备易造成腐蚀, 且高温膨胀时易产生有毒气体, 污染环境, 因此对其含量有所限制, 目前客户能接受的产品硫含量在800×10-6以下, 而当前多数生产企业的产品硫含量大于1000×10-6, 在市场竞争的今天, 质量是第一位的, 因此, 硫含量指标不合格的产品, 客户已拒绝使用。现在一些生产企业已认识到问题的严重性, 早已着手进行低硫、超低硫、无硫产品的研制来满足市场需要, 但却因成本原因, 影响了市场的进一步深入, 也制约了该行业及相关领域的发展。
(2) 发展高纯、高p H值、低温膨胀可膨胀石墨
在一些特殊领域, 要求可膨胀石墨的纯度达到99.9%, pH值呈中性, 甚至偏碱性, 要求可膨胀石墨在低温 (<200℃) 情况下膨胀。
(3) 发展高强度可膨胀石墨制品
膨胀石墨板材的主要缺点是抗拉强度低 (一般为3.5 ~ 5.5MPa) 、质脆, 在一些领域受到限制, 目前成熟的方法是将膨胀石墨板材与长纤维或薄金属板组成复合材料, 既保持了膨胀石墨板材的特点, 又克服了其机械强度低的不足。
(4) 由作坊式生产向自动化规模生产转变
目前可膨胀石墨及其制品的市场竞争是非常激烈的, 除了产品质量的竞争外, 产品价格是竞争的另一个主要因素, 产品价格的高低又决定于产品成本的高低。当前, 可膨胀石墨及其制品的生产企业参差不齐, 部分企业甚至仍停留在作坊式手工生产上, 在产品质量难以保证的情况下, 产品成本也居高不下。市场杠杆决定了行业必须走自动化规模生产的路子, 以稳定产品质量, 降低生产成本, 赢得更大的市场。
5.4 我国活性炭产业发展建议
目前, 世界活性炭工业生产呈现出如下特点:
(1) 世界活性炭的工业化生产已从西方转向中国等发展中国家, 这种产业的转移在21 世纪中期将持续进行;
(2) 全球范围内日渐严厉的环保法规使得活性炭的需求进一步增长, 水处理行业一直是活性炭消费的巨大市场, 同时也是最重要的增长领域;
(3) 其它需求增长较快的领域包括气体处理市场, 美国在此领域的消费量中期内将增长5%;
(4) 最大的潜在活性炭应用市场是燃煤火电厂所排放气体的净化, 预计美国在此领域的活性炭需求到2014 年将达到42 万t;
(5) 由于人们对可能的生化恐怖袭击高度关注, 核、细菌以及化学防护过滤器和个人防护服装对活性炭的需求也将逐步增加。
针对国外活性炭产业化的所呈现出的特点, 我国活性炭产业应关注的焦点在于:
(1) 扩大生产规模。
目前国内活性炭生产企业准入门槛低, 普遍规模较小、技术力量薄弱、经济实力不强, 只能依赖资源优势在激烈的市场竞争中求生存, 不但企业自身很难有大的发展, 而且也很难与国外的大型活性炭企业竞争。一般来说, 工业发达国家运行良好的活性炭企业其生产规模在2 万t/a以上。世界最大的2家活性炭企业美国Calgon公司和荷兰Norit公司活性炭年产量均在10 万t以上, 单台设备生产能力可达1.5 万t/a。因此, 为提高与国外大型活性炭企业的竞争能力, 充分利用现代化生产设备的生产能力, 必须扩大活性炭生产企业的生产规模, 逐步淘汰规模小, 设备落后的企业, 增加万吨级活性炭企业 (目前国内规模10 万t/a超大型活性炭企业一家) 。从而有效地改善中国活性炭市场的无序竞争现状。
(2) 生产设备现代化。
随着国内活性炭生产规模的大型化发展, 必将促进活性炭生产设备向大型化和现代化方向发展。目前国内已有活性炭生产企业引进国外的干法辊压造粒机 (生产能力5 万t/a) 和耙式炉 (生产能力1 万t/a) 。同时, 配套的物料输送和仪表控制环节也向连续化、自动化方向发展。如现已成功研发1.5 万t级大型炭化炉。为推广大型活化设备多膛炉在中国的应用, 煤炭科学研究总院已建成一套50 kg/h的小型多膛试验炉, 可为不同种类活性炭的试制提供技术服务。
传统活性炭行业自动化水平低, 大多需要人工操作, 主要体现在物料进料、出料以及物料运输等方面, 劳动强度极大, 不符合现代化企业标准。因此, 采用输送机 (对于产生粉尘的采用密封式输送机) 运输物料, 采用气动或电动阀门控制进料、出料, 并通过引进PLC控制系统实现设备自动控制。目前部分企业基本实现全厂自动化操作。
(3) 产品多样化。
随着活性炭应用领域的不断扩大, 涌现出一些技术含量高的活性炭新产品, 活性炭的档次也越来越高, 质量逐步提升。目前, 水处理是活性炭最主要的应用领域, 约占市场需求量的60% 以上。压块活性炭将是未来水处理用活性炭市场, 尤其是中国水处理活性炭市场的主流产品, 此外, 随着干法烟气净化技术的推广, 活性焦也越来越受到重视。
(4) 重视国内市场。
我国是活性炭生产大国, 年产量高达30 万t以上, 但年消费仅为10 万t左右。而居世界活性炭产量第2 的美国年产活性炭为18 万t, 消费却接近20 万t, 可见我国活性炭产业还有很大的市场空间, 随着工业的不断进步, 我国活性炭产业在未来10 ~ 20 年的国内市场需求还将进一步加大。
(5) 节能减排。
目前, 活性炭生产过程中的节能减排已经成为活性炭生产企业基本要求, 企业普遍采用通过余热锅炉、烟气循环等方式节约能源, 并通过二次燃烧、洗涤除尘等方式降低有毒有害气体的排放, 效果十分显著。已有企业在炭化炉尾气出口增加焚烧和余热回收装置进行热量回收, 单台年产4000 t/a的炭化炉配套余热锅炉约2 t/h, 同样活化设备斯列普炉尾气出口也增加焚烧和余热回收装置。通过增加这些设备, 大大提高了全厂的热效率, 降低单位产品能耗10% ~ 20%。
2012 年11 月26 日, 宁夏颁布实施了中国第一个活性炭生产企业的地方排放标准, 国家排放标准也即将发布, 说明中国对活性炭产业环保标准的重视程度有所增加, 将有利于提高产业的准入门槛, 淘汰落后产能。宁夏地方标准要求新建活性炭厂SO2排放限值为350 mg/m3 (已建厂400 mg/m3) , 粉尘为50 mg/m3 (已建厂80 mg/m3) 。这就要求不达标企业必须新增减排设施, 如车间需增加除尘设施, 不密封设备需更换成密封良好设备等; 烟气中SO2、烟尘需增加喷淋装置和脱硫设备, 目前新建的大型活性炭厂均要求建有脱硫除尘设施。
(6) 加强技术创新。
在国家“863”、“973”等科技计划的支持下, 在我国率先实现了活性焦干法脱硫技术的产业化并开始工业推广, 自主开发的煤基脱硫专用活性焦系列产品已在山西、宁夏、内蒙古等地实现产业化, 产品目前已占据国内60% 以上的活性焦市场份额, 并出口日本、韩国。在煤炭科学研究总院的示范带动作用下, 越来越多的企业认识到, 科技创新对提高产品性能的重要性。企业纷纷通过与科研院所、高校联合开发, 或者成立自己的研发中心, 不断优化活性炭的生产工艺, 提高产品性能, 开发新型产品, 保护和开拓活性炭的应用市场。
(7) 开发活性炭下游产品, 向活性炭应用技术服务方向拓展
目前, 利用活性炭制成活性炭布、成型活性炭、蜂窝状活性炭块、饮用水处理用活性炭罐、空调净化光催化剂载体、血肾等, 均能把活性炭的价值成倍提高。
和其它行业一样, 发达国家的活性炭企业也经历了生产活性炭产品、开发下游产品, 进而向特定行业直接供应使用活性炭的终端设备并提供环境突发事件应急处理、设备维修、活性炭更换与再生等专门化的服务发展历程。
新型仿生骨材料 篇8
在多项国家自然科学基金、天津市自然科学基金、上海纳米专项等的支持下, 天津大学材料科学与工程学院教授蔡舒与上海第二军医大学 (长征医院) 合作开展的新型仿生骨生物材料技术日前完成实验室阶段研究。
这种新型材料制作的仿生骨, 是一种钙磷基质的多孔支架材料, 孔隙率可达50%~90%, 具有良好生物活性和强度。植入人体后, 犹如放入一个框架, “引导”患者自己的骨细胞沿着框架生长, 当人体的骨细胞长成后, 框架还可以在人体内自然消解。这种材料的生物活性、降解速率都可以满足医学要求, 但支架较低的生物力学性能 (尤其是降解过程中, 随着材料的降解, 其力学性能快速失效) 是制约其作为骨修复和替代材料在临床应用的瓶颈。针对这一问题, 研究组已开展了大量研究并取得了较大进展, 但离临床应用还有一定距离。
新型墙体材料小议 篇9
随着社会的不断进步和人们生活水平的不断提高, 我们对居住环境有了更为苛刻的要求, 建筑物既要满足基本生活的需要, 又要符合绿色节能方面的指标。国家也出台了一系列措施, 从1999年的《关于在住宅建设中淘汰落后产品的通知》颁发到2006年《绿色建筑评判标准》的出台, 都表明我国对建设绿色建筑的决心。而新型墙体材料的应用为建设绿色建筑提供了条件, 因为新型墙体材料有质量轻, 绿色, 节能等优点。本文将叙述当前建筑中新出现的墙体材料及其性能, 预测它们的发展前景。
1 墙体材料现状
我国实施禁止使用实心黏土砖已经有很多年了, 到2010年年底, 全部城市城区将完成限时“禁实”任务, 20多年的墙体材料改革及节能工作有了很大的成果。据统计, 新型墙体材料占总墙材的比例已接近1/2。随着政策的继续推进, 新型墙体结构的使用将变得司空见惯, 不再新奇。概括起来, 新型墙体材料由两大类组成:一类是新型轻质墙体材料, 另一类是新型砌块类墙体材料。新型轻质墙体材料分为有机质板材、无机质板材、复合型板材三类, 其中复合型板材的功能最齐全, 值得大力推广。新型砌块类墙体材料起步相对较早, 技术相对成熟, 种类有传统新型材料如加气混凝土砌块、混凝土小型空心砌块等和最新研究成果, 如木砖等。这些新型材料向三个方面发展:质量更轻、功能更全、价格更低。
2 新型墙体材料及性质
2.1 新型轻质墙体材料
1) 纸面石膏板, 纸面石膏板是以熟石膏 (半水石膏) 为凝胶材料, 并掺入适量添加剂和纤维作为板芯, 以特制的护面纸作为面层的一种轻质板材。它属于无机质板材, 具有防火性、隔声性、隔热性、可加工性、防水性等优良特点。我国纸面石膏板工业起步晚, 但发展迅速, 作为一种环保节能材料, 它得到了很大的关注, 不过由于应用技术的发展跟不上产品的发展, 石膏板的推广还是有很大的局限。2) 玻璃纤维增强水泥板 (GRC) , GRC是由抗碱玻璃纤维作增强材料、低碱度水泥砂浆作基材组成的一种水硬性的新型复合材料。GRC外墙板具有高强、抗裂、耐火、韧性好、不怕冻、易成型、质量轻等优点, GEC外墙板 (岩棉复合) 在保温性能上也不逊于传统砖混结构, 在工程中已经得到了广泛的应用。3) 水泥木纤维板, 它是以水泥为凝胶材料, 用木质材料的刨花纤维为增强材料, 外加适量的化学助剂和水, 采用半干法生产工艺生产而成。它具有优良的物理力学性能, 广泛地使用在建筑物非承重墙中。它的原材料来源很具绿色, 在节能, 节土, 节材方面都具有重大的战略意义, 具有良好的发展前景。4) 金属面聚苯乙烯夹芯板 (EPS彩钢复合板) , 它是由两层彩色涂层钢板与阻燃型EPS板经粘结复合构成的夹芯板。其外层是高密度聚乙烯彩色涂层钢板, 芯板是EPS板材, 根据建筑设计需求的厚度, 粘结剂将芯板牢固粘结在金属板上, 粘结剂通常采用两组分聚氨酯胶。彩钢复合板采用工厂化制作, 现场拼装, 减少了建筑施工中建筑垃圾的产生, 环保的同时缩短了建设工期;彩钢复合板具有保温、防水和承重之建筑基本功能;并且, 安装后建筑物整体性好, 外形美观, 同时由于板与板之间的连接是EPS板, 不会出现冷热桥问题, 适用于大型的工业厂房、购物超市、体育馆、仓库、冷库、活动房等建筑物。它已经处于成熟应用阶段, 同时它的色彩可以选择, 可以预见它的前景也是广阔的。
2.2 新型砌块类墙体材料
1) 加气混凝土砌块, 它是一种轻质多孔、保温隔热、防火性能良好、可钉、可锯、可刨和具有一定抗震能力的新型建筑材料, 也具有环保绿色等优点。早在20世纪30年代初期, 我国就开始应用它了, 其实不能把它称为新型墙体材料了, 它广泛使用于上海国际饭店、上海大厦、福州大楼、中国人民银行大楼等高低层建筑中。2) 木砖, 木砖对于我们而言是一个新名词, 这是最近由美国一家公司推出的一种新建筑用砌块, 它是由粉煤灰和碎木屑加工而成, 属于100%环保类产品。木砖是自塑料后的一种最新半凝胶材料, 具有水泥和木材的性能, 同时砌块之间不再需要砂浆涂抹, 通过自身咬合形成墙体。木砖有诸多优点, 不可燃, 具有良好的强度, 耐候性, 成本低。其最大的特点就是完全符合绿色建筑的要求, 因为它的应用使得人类不用再大量砍伐木材, 同时它也是利用废物可再生出来的, 符合可持续发展战略。
3 结语
可以看出新型墙体材料有诸多传统材料所不可达到的优点, 尤其在绿色环保节能方面更是突出, 有些甚至是废物回收利用而得, 这些优点都是当今低碳社会所追求的, 但是这些材料在应用过程中也遇到了诸多困惑, 众多新型墙体材料保温隔热性能不佳, 同时墙体容易产生裂缝或空鼓脱落等弊病, 这些都值得我们深思。要想新型墙体材料走得更广, 我们应该在引入国外先进技术的同时加大自主开发力度, 提高墙材标准, 加大淘汰落后墙体材料。在节能减排的新形势下, 墙体材料更新这场仗将打得更精彩, 更广泛, 更为彻底, 在曲折的大道下, 它的前途是光明的。
摘要：通过阐述目前墙体材料现状, 从典型的新型墙体材料出发, 分别对新型轻质墙体材料和新型砌块类墙体材料的性能及其发展趋势作了论述, 为将来建筑设计施工时墙体材料的选取奠定了基础。
关键词：新型墙体材料,节能环保,轻质墙体
参考文献
[1]鲍国芳.新型墙体与节能保温建材[M].北京:机械工业出版社, 2009:1.
神奇的新型材料 篇10
美国北卡罗莱纳州杜克大学
神与西班牙巴伦西亚理工大学
的科研人员一起, 对晶体和材料构造进行计算机模拟, 同时
奇对固态气体列阵和声波散射
的结构进行对比和研究。科学家们发现, 声波与固体材料列
的阵的数目结构具有特殊的关
系, 当物质的晶体结构列阵达到一个最佳的数目和级别, 那
新么声波将在物质周围实现“完
全围绕”, 从而使得声音可以实现完全的隐藏物体。并在西
型全证实了这一发现以及新班牙进行了多次模拟实验, 材完
料所表现出的神奇效果。声音
材可以从材料的周围围绕穿过, 使材料在雷达和声纳的监测
中无法发现, 甚至连X光设备
料也无法查看到。西班牙科学家何塞·桑切斯称, 他们研制出
的超级新材料大约有200层, 但是这种材料的厚度超乎想
象非常的薄。科学家表示, 这种新材料将首先用于军舰和潜艇, 将能实现在雷达和声纳的监测下完全的声音静默和隐形功能, 新材料也可以用于音乐厅的噪音控制和城市噪音治理。同时, 科学家希望这种新材料能够激励未来的声音材料科学研究, 完全使噪音无处可藏。
超散射体材料。一种基于人工制备、具有特殊性质的复合材料——超颖材料, 它可由科学家随意改变组成这种材料最小单位的内在结构、外在形状等因素, 以及这些最小单位的排序, 从而赋予这种材料各种各样神奇的特质。如果通过一定的“人工”安排, 超颖材料可以使光线弯曲, 光线照到这种材料上, 会主动绕个弯过去, 因而, 被这种材料包裹的物体就具有了隐身作用。上海交大物理系马红孺教授、罗旭东副教授等领衔的课题组发现, 隐身衣的原理, 从另一个角度解释, 是这种特定的超颖材料可以让物体变小, 小到人的视觉或者雷达波等一些探测设备“看不见”。那么, 对超颖材料动另一番“手术”, 是不是也能让物体“变得”足够大?用这种特殊材料包裹黑匣子, 一旦发生空难, 就能让黑匣子因为足够大而迅速被搜寻到。项目组已经在计算机系统里成功实现了让物体“变大”的设想。这种超颖材料器件的学名为“超散射体”———在一扇敞开的大门中间, 放上一小块包裹有超散射体会成倍放大, 看上去门和周围的墙融为一体, 变成了一堵墙。但是, 门框和小物件之间的空隙是客观存在的, 人们可以轻松穿过, 在视觉效果里, 就成了“穿墙而过”。
吸收可见光中所有能量的材料。俄亥俄州立大学的化学家们以及他们的同事, 利用导电塑料与含有钼和钛金属材料制备出了一种新的杂化材料。该新材料是第一种能够一次吸收可见光中包含的所有能量的材料。然后他们与我国国立台湾大学的同事们一起, 在液态溶液中合成了该材料的分子, 测量了分子吸收的光线频率以及分子中被激活的电子保持自由状态的时间。这些分子并没有像其他太阳能电池材料一样只是发出荧光, 还发出了磷光。两种发光效应都是由材料吸收和释放能量引起的, 但是磷光效应能够持续更长时间。这种新材料释放的电子处于两种不同的能量状态———一种是单重态, 另一种是三重态。两种状态对太阳能电池的应用都非常有用, 而且三重态所持续的时间要比单重态更久。电子在单重态下保持自由状态的时间约为12皮秒, 这与其它太阳能电池材料相比并没有什么不同。但是电子在三重态下能够保持的时间是单重态下的700万倍———约为83微秒。他们将分子沉积在薄膜上, 这与实际太阳能电池中的排布类似, 此时三重态持续的时间更长, 达到了200微秒。
波兰研发出新型液体防弹材料 篇11
大家都知道，液体能有效地吸收子弹飞行的动能。这对跳到水里躲避枪击的特工们来说是个好消息，但更多的时候没什么实际价值，因为人们不可能为了防弹而背着一个一两米厚的水箱到处溜达。好在现在研究者找到了比水更能有效地防弹的液体。
近日，位于华沙的波兰军事武器装备研究所研制出了一种新型“剪切增稠液体”（Shear Thickening Fluid）。与普通液体不同之处在于，剪切增稠液体会在遭遇强撞击的时候变硬。在此过程中，子弹动能会被液体吸收并通过流体介质向外传递。据称，这种被命名为oobleck的非牛顿流体未来有可能取代当前广泛采用的凯夫拉防弹材料。
波兰的这个液体防弹技术原理并非首创，2010年英国军火巨头BAE就曾宣布研发出一款混合使用凯夫拉和剪切增稠液体材料的防弹衣。同年，美国陆军研究实验室与特拉华大学的科学家共同开发出一种液体防弹衣，此前他们的研究工作已经开展了近10年。去年，伊朗也声称研制出了剪切增稠液体防弹衣。在上述每一个案例中，研究者都承诺他们的防弹衣比普通凯夫拉防弹衣的综合防护效果更好，但此前没有一款液体防弹衣投入实用，其中一个原因在于其重量过大。如果波兰的这项保密技术能解决这个问题，液体防弹衣就有望走出概念阶段，步入实际应用。
浅谈新型墙体材料 篇12
在《新型建筑墙体材料专项基金征收和使用管理办法》中将新型墙材分为六类: (1) 非粘土砖, 包括孔洞率大于25%的非粘土烧结多孔砖和空心砖、混凝土空心砖和空心砖块、烧结页岩砖; (2) 建筑砌块, 包括普通混凝土小型空心砌块、轻集料混凝土小型空心砌块、蒸压加气混凝土砌块和石膏砌块; (3) 建筑板材, 包括玻璃纤维增强水泥轻质多孔隔墙条板、纤维增强低碱度水泥建筑平板、蒸压加气混凝土板、轻集料混凝土条板、钢丝网架水泥夹芯板、石膏墙板、金属面夹芯板、复合轻质夹芯隔墙板、条板; (4) 原料中掺有不少于30%的工业废渣、农作物秸秆、垃圾、工业淤泥的墙体材料产品; (5) 预制及现浇混凝土墙体; (6) 钢结构和玻璃幕墙。
2 新型墙体材料的发展形势特点
我国目前新型墙材产品占墙材总量的30%左右, 但是大量新墙材产品积压, 生产能力未能充分发挥, 尤其是技术水平高、质量优、性能好的新型墙材产品反而得不到广泛应用。例如我国混凝土砌块生产能力达1.3亿m3, 而实际年产量只有5 700 m3, 产量不足生产能力的1/2, 其中引进国外生产线约200条左右, 生产能力有9亿m3, 而年产量仅为3.23亿m3, 生产能力仅发挥了1/3。这一现象是不是生产能力过剩的表现?新型墙材产品不再需要发展了吗?不是的, 而是新型墙材因为科技含量较高, 所以价格往往高于目前使用的一般材料, 因而对市场推广起了一定的制约作用。
有些新型墙体材料的发展虽然在规划和产业政策中是受支持的, 但是近几年其产量却年年下滑。例如:非粘土砖 (页岩砖和灰砂砖) 产量一年不如一年;建筑板材产量也每况愈下。分析其原因, 有些地区已按国土资源部要求, 把泥质页岩作为粘土原料, 加以保护, 限制采掘。而对板岩和灰岩, 由于开采矿山, 在一定程度上增加成本, 因此页岩标砖生产有收缩的趋势。灰砂砖由于原料 (砂) 、产品质量和生产技术尚存在一定问题, 应用技术也未完全解决, 因此产量也是呈下降趋势。板材生产量一度下降, 也因轻质内隔墙板质量不尽如人意, 给工程带来诸多问题。由此而知, 新型墙材要健康发展必须提高产品质量和应用技术。而很多的新型墙体材料符合这一要求, 比如高质量的烧结空心制品, 一是孔型设计合理的高孔洞率和相适应的高强度;二是符合节能建筑墙体的砌筑需要, 具有良好的保湿、隔热、隔声、装饰效果, 用同数量的材料墙体传热系数最低;三是不毁田, 不破坏生态环境, 生产中大幅度降低能耗等几大优点, 因此很有发展潜力。
对比国外墙材产品结构:美国混凝土砌块占墙材总量的34%, 年产约6 300万m3, 板材约占墙材总量的47%;日本混凝土砌块占墙材总量的33%, 板材约占64%;德国砌块约占39.8%, 板材约占41%。而我国混凝土砌块只占5.17%, 板材占1.8%, 可见我国新型墙材主导产品与发达国家相比, 相差甚远。
由以上发展形势特点可知, 目前我国新型墙体材料产品的生产能力并没得到充分的发挥, 并不是生产能力过剩, 而是建筑市场尚未完全打开, 推广运用成为当前制约新型墙体材料发展的瓶颈。就当前新型墙体材料生产能力和规模而言, 远远不能满足我国建筑市场的需求, 各地主要涉及施工单位所承担的大规模建设的建筑市场, 对新型墙体材料的推广应用还不够, 而新型墙材的发展是主流, 它的发展随着建筑市场的发展而发展。其次, 非粘土砖和板材虽属新型墙材产品, 符合产业发展方向, 在规划和产业政策中是明确规定支持其发展的, 但是如果产品质量低劣或应用技术不过关, 或用简易的生产方式低水平建设在市场经济条件下同样得不到发展, 甚至在市场竞争中被削弱。因此新型墙材产品发展, 不是单靠人为规定发展就能发展起来, 必须遵守市场经济规律, 只有提高产品质量, 发展技术先进的高端产品, 根据应用技术的开发, 才能不断促进新型墙材的发展。
3 新型墙体材料发展中存在的问题
由上可见, 我国当前新型墙体材料发展存在两大问题: (1) 新型墙材产品质量和技术档次不高, 不能满足房屋建筑功能提升的要求。房地产商一味追求降低造价, 导致建材产品低水平的重复建设, 使大量低劣产品充斥建筑市场, 影响工程质量, 妨碍了新型墙材产品的发展; (2) 建筑应用市场尚未完全打开, 新型墙材产品推广应用步伐较慢, 导致新型墙材生产能力未充分发挥, 尤其是质量高、性能优良的产品反而滞销, 影响了建材业和建筑业的技术进步。因此, 墙改工作的重点是:首先, 提高产品质量和档次, 坚持发展技术先进的优质新墙材产品, 例如:烧结空心砖, 泡沫混凝土砌块等新型墙体材料。其次, 加大加快新型墙材的推广应用步伐, 实施可行的应用技术想方设法打开建筑应用市场, 千方百计调动设计、施工、房地产开发商的积极性, 大力推广应用新型墙体材料。
4 结束语
自1999年国务院办公厅72号文转发八部委局《关于推进住宅产业现代化, 提高住宅质量若干意见》和建住房[295]号文件《关于在住宅建设中淘汰落后产品的通知》及2005年国务院办公厅33号文发布《关于进一步推进墙体材料革新和推广节能建筑的通知》以来, 各地都认真贯彻了这三个文件, 积极采取各种措施, 加大推进新型墙体材料的发展和应用, 大力禁止和限制了应用实心粘土砖的力度。近十年来, 不少地方也出台了新的政府令和有关法规, 努力促进新型墙材的发展。但与国外相比, 差距仍较大, 更需持续、健康、稳定发展。随着建设节约型社会、创新型社会、和谐社会、小康社会的步伐, 墙材行业面临着新的挑战。特别是发展节能省地型住宅的建设发展要求, 对墙材行业来说, 就是要更加坚持我国墙材革新既定的发展方向, 进一步发展节能、节土、利废、改善建筑功能的新型墙体材料产品, 为落实科学发展观和构建资源节约型和谐社会作贡献!
参考文献
[1]新型建筑墙体材料专项基金征收和使用管理办法.
[2]国办发 (1999) 72号、建住房 (1999) 295号、国办发 (2005) 33号文件.
[3]GB/T13545-2003《烧结空心砖和空心砌块》.