碳纖維復合材料的8大應(yīng)用領(lǐng)域及技術(shù)進展

碳纖維是非常重要的無機高性能纖維，其首個市場化應(yīng)用是1972年市售的碳纖維增強樹脂釣魚竿。此后，碳纖維應(yīng)用快速向以航空航天材料為代表的高端化發(fā)展。碳纖維最主要的應(yīng)用形式是作為樹脂材料的增強體，所形成的碳纖維增強樹脂（CFRP）具有優(yōu)異的綜合性能，其在導彈、空間平臺和運載火箭，航空器，先進艦船，軌道交通車輛，電動汽車，卡車，風電葉片，燃料電池，電力電纜，壓力容器，鈾濃縮超高速離心機，特種管筒，公共基礎(chǔ)設(shè)施，醫(yī)療和工業(yè)設(shè)備，體育休閑產(chǎn)品，以及時尚生活用具等多個領(lǐng)域，有著實際和潛在的應(yīng)用。CFRP作為導彈、空間平臺和運載火箭的關(guān)鍵材料碳纖維是現(xiàn)代宇航工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有不可替代性。CFRP被廣泛應(yīng)用于導彈武器、空間平臺和運載火箭等航天領(lǐng)域。在導彈武器應(yīng)用方面，CFRP主要用于制造彈體整流罩、復合支架、儀器艙、誘餌艙和發(fā)射筒等主次承力結(jié)構(gòu)部件；在空間平臺應(yīng)用方面，CFRP可確保結(jié)構(gòu)變形小、承載力好、抗輻射、耐老化和空間環(huán)境耐受性良好，主要用于制造衛(wèi)星和空間站的承力筒、蜂窩面板、基板、相機鏡筒和拋物面天線等結(jié)構(gòu)部件；在運載火箭應(yīng)用方面，CFRP主要用于制造箭體整流罩、儀器艙、殼體、級間段、發(fā)動機喉襯和噴管等部件。目前，CFRP在航天器上的應(yīng)用已日臻成熟，其是實現(xiàn)航天器輕量化、小型化和高性能化不可或缺的關(guān)鍵材料。CFRP在導彈武器上的應(yīng)用示例CFRP在衛(wèi)星和空間站上的應(yīng)用示例CFRP在運載火箭上的應(yīng)用示例CFRP作為航空器的結(jié)構(gòu)材料在大型先進飛機中，CFRP被廣泛用作主承力結(jié)構(gòu)材料。且在近期研制成功的新型飛艇中，CFRP也被用做結(jié)構(gòu)材料。20世紀70年代中期的石油危機是碳纖維應(yīng)用于飛機制造的直接原因。為緩解能源危機，當時的美國政府啟動了“飛機節(jié)能計劃”?，F(xiàn)代飛機機身采用鋼、鋁、鈦等金屬和復合材料制成。為節(jié)約燃油和提高運營效益，減輕機身質(zhì)量一直是飛機設(shè)計制造技術(shù)中的核心挑戰(zhàn)之一。而CFRP在飛機機身制造上的成熟應(yīng)用為減輕飛機機身質(zhì)量提供了最有效的途徑。例如，以金屬材料為主制成的波音767飛機（CFRP用量僅占3%）機身質(zhì)量為60t，而將CFRP用量提升到50%時，新型飛機機身質(zhì)量下降到48t，僅此就極大地提升了該型飛機的能源和環(huán)境效益。波音777X型飛機和最新投產(chǎn)的波音787型飛機，機身復合材料的用量都達到了50%。波音777X型飛機是以波音777飛機為基型，正在開發(fā)的一種大型雙引擎客機，首架飛機于2020年交付投入運營。波音777X飛機的主翼由CFRP制成，其翼展長約72m（235英尺），是目前客機中翼展最長的機型之一。翼展越長，升力越大，因此，波音777X的單座燃油消耗和運營成本都非常有競爭力。此外，CFRP機翼不僅強度高、柔性好，且末端可折疊，這樣多數(shù)機場都能滿足其寬翼展的停機需求。波音787飛機的主翼和機身等主承力結(jié)構(gòu)都采用日本東麗公司的碳纖維預浸料制造。2005年11月，東麗公司與美國波音公司簽署了一項為期10年的協(xié)議，為波音787夢想號飛機提供碳纖維預浸料。2015年11月9日，東麗公司宣布與美國波音公司達成綜合協(xié)議，將為波音公司生產(chǎn)的787和777X兩型飛機提供碳纖維預浸料。波音公司計劃提高787飛機的月產(chǎn)量，將從2015年的10架提高到2016年的12架、2020年的14架；同時，大型模塊的比率也將提高，這將極大地促進對CFRP的需求。為保證波音787飛機月產(chǎn)量達12架后的材料供應(yīng)，東麗復合材料（美國）公司已于2016年1月完成了擴產(chǎn)；同時，日本東麗公司決定在斯帕坦堡縣廠區(qū)內(nèi)建設(shè)包含原絲、碳纖維和預浸料在內(nèi)的一體化生產(chǎn)線，設(shè)計年產(chǎn)能為2000t，這是東麗公司首次在美國建設(shè)一體化的碳纖維生產(chǎn)線，以用于研發(fā)波音777X飛機和滿足月產(chǎn)14架波音787飛機的需求。CFRP在大型客機機身及承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用2016年8月17日，英國研制的大型飛艇完成了其處女航。這架飛艇是一種輕于空氣的航天器，被設(shè)計用來執(zhí)行偵察、監(jiān)視、通信、貨物與救援物資的運輸，以及乘客交通等。該飛艇采用日本可樂麗公司生產(chǎn)的聚芳酯織物作蒙皮，蒙皮內(nèi)充滿了帶壓氦氣；其形狀結(jié)構(gòu)材料采用CFRP，最大化地減輕了飛艇自身質(zhì)量。無人值守的情況下，該飛艇一次可最長在空中漂浮5天。英國最新研制的大型飛艇CFRP作為先進艦船船體結(jié)構(gòu)CFRP對提高艦船的結(jié)構(gòu)、能耗和機動性能等非常明顯。瑞典在船艇制造技術(shù)方面有著傳統(tǒng)優(yōu)勢，其夾層復合材料技術(shù)居世界一流水平，較早便采用CFRP技術(shù)研制軍用艦船。2000年6月下水的瑞典海軍護衛(wèi)艦是世界第一艘在艦體結(jié)構(gòu)中采用CFRP的海軍艦艇。該艦長73.0m、寬10.4m、吃水深度2.4m、排水量600t；艦體采用CFRP夾層結(jié)構(gòu)，具有高強度、高硬度、低質(zhì)量、耐沖擊、低雷達和磁場信號，以及吸收電磁波等優(yōu)異性能。CFRP在艦船船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用由于成本原因，雖船舶中大量使用CFRP還有待時日，但其已實際用于制造民用新概念船艇和軍用艦船關(guān)鍵部件。2010年，德國Kockums公司制造了一條幾乎全部采用CFRP的新概念太陽能探險船。該船長31.0m、寬15.0m，以太陽能為動力。2010年9月27日，瑞典探險家駕駛該船出海，開始環(huán)球探險航行。CFRP在新概念船艇中的應(yīng)用CFRP還已用于艦船推進器葉片、一體化桅桿和先進水面艦艇上層建筑的制造。低噪聲、安靜運行是軍用艦船領(lǐng)域的一項核心技術(shù)，是艦船（特別是潛艇）性能的關(guān)鍵指標。因為螺旋槳高速運轉(zhuǎn)時，其槳葉片上會產(chǎn)生時滅的空泡，導致槳葉剝蝕，并伴有強烈的振動和噪聲。CFRP葉片不僅更輕、更薄，還可改善空泡性能、降低振動和水下特性、減少燃油消耗。CFRP用于制造潛艇和貨輪推進器系統(tǒng)的螺旋槳槳葉（a為以色列潛艇所用螺旋槳；b為CFRP大型貨輪螺旋槳）CFRP用于制造游艇的推進器系統(tǒng)（英國羅伊斯羅爾斯公司為班尼蒂游艇生產(chǎn)）此外，隱身也是評價軍用艦船先進性水平的一項重要指標。提高隱身性能必須減小艦船體的雷達反射截面，并降低其光學特性。在過去，艦船上層建筑上都豎立著多根掛滿各種鞭狀和條狀的天線桅桿，它們極大地阻礙了艦船在探測設(shè)備中的隱身能力。1995年，美軍開始研究一體式桅桿系統(tǒng)，其將各種天線設(shè)計成平面形或球形陣列，并集成于采用能反射電波的復合材料制成的一體式桅桿系統(tǒng)中，可防風雨和鹽霧的侵害。且更進一步的是，美軍下一代作戰(zhàn)艦艇的整個上層建筑都采用復合材料制造。該艦是美國海軍的下一代主戰(zhàn)艦艇，其集成了當今最尖端的海軍艦船技術(shù)，艦體造型、電驅(qū)動力、指揮控制、情報通信、隱身防護、偵測導航、火力配置等性能均具超越性。特別值得注意的是，該艦上層建筑及內(nèi)嵌天線系統(tǒng)由美國雷神公司負責設(shè)計制造，采用了一體化模塊式復合材料結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕、強度高、耐銹蝕、透波性好，具有極佳的隱身性能，被發(fā)現(xiàn)概率低于10%。特級驅(qū)逐艦及施工中的復合材料上層建筑CFRP作為軌道交通車輛的車體結(jié)構(gòu)

輕量化是減少列車運行能耗的一項關(guān)鍵技術(shù)。金屬制造的軌道列車，雖車體強度高，但質(zhì)量大、能耗高。

CFRP是新一代高速軌道列車車體選材的重點，它不僅可使軌道列車車體輕量化，還可以改進高速運行性能、降低能耗、減輕環(huán)境污染、增強安全性。當前，CFRP在軌道車輛領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢：從車箱內(nèi)飾、車內(nèi)設(shè)備等非承載結(jié)構(gòu)零件向車體、構(gòu)架等承載構(gòu)件擴展；從裙板、導流罩等零部件向頂蓋、司機室、整車車體等大型結(jié)構(gòu)發(fā)展；以金屬與復合材料混雜結(jié)構(gòu)為主，CFRP用量大幅提高。

1節(jié)地鐵列車中間車輛各部分的質(zhì)量比例，其中車身質(zhì)量約占36%、車載設(shè)備約占29%、內(nèi)部裝飾約占16%。由于車載設(shè)備幾乎沒有減重空間，因此，車身和內(nèi)部裝飾就成為了輕量化的重點對象。2000年，法國國營鐵路公司采用碳纖維復合材料研制出雙層TGV型掛車；韓國鐵道科學研究院以此為基礎(chǔ)，研制出運行速度為180km/h的TTX型擺式列車車體，其采用不銹鋼增強骨架，側(cè)墻體和頂蓋采用鋁蜂窩夾芯，蒙皮采用CFRP構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，車體外殼總質(zhì)量比鋁合金結(jié)構(gòu)降低了40%，且車體強度、疲勞強度、防火安全性、動態(tài)特性等性能良好，并于2010年投入商業(yè)化運營。地鐵列車中間車輛各部分的質(zhì)量比例

TTX型擺式列車車體

2011年，韓國鐵道科學研究院（KRRI）研制出CFRP地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，質(zhì)量為635kg，比鋼質(zhì)構(gòu)架的質(zhì)量減少約30%。日本鐵道綜合技術(shù)研究所（JRTI）與東日本客運鐵道公司聯(lián)合研制的CFRP高速列車車頂，使每節(jié)車箱減輕300~500kg。2014年9月，日本川崎重工（Kawasaki）研制的CFRP構(gòu)架邊梁，其質(zhì)量比金屬梁減少約40%。CFRP作為電動汽車的車體結(jié)構(gòu)材料系統(tǒng)實驗室關(guān)于材料對汽車輕量化和降低生產(chǎn)成本的研究表明，汽車質(zhì)量每減輕10%，油耗可降低6%?，F(xiàn)有材料中，CFRP的輕量化效果最好；加之，汽車設(shè)計和復合材料技術(shù)的快速發(fā)展。這些都使得CFRP在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用速度遠遠超出人們的預期。某型號車的推出引領(lǐng)了這一潮流。2008年在慕尼黑召開會議，目的是讓城市交通技術(shù)發(fā)生徹底的變革，其建立了一個“i計劃（Projecti）”的智庫，唯一的任務(wù)就是“忘掉以前所做的一切，重新思考一切”。2009年，該智庫形成了一個全新的節(jié)能概念——“有效動力愿景”，奠定了公司后續(xù)研究的思想基礎(chǔ)，它要求對車身和驅(qū)動系統(tǒng)進行專門的設(shè)計，以達到全新的節(jié)能性，而此前的想法都是將已有的節(jié)能技術(shù)集成到既有的模板中。2011年，公司確立了“天生電動，其讓人們在日常駕駛出行中用上了全電動能源；同年，第一款全電動概念車實現(xiàn)技術(shù)演示。2012年，兼具高能效和更優(yōu)異運動跑車性能的概念車推出，其采用CFRP、鋁和鈦等輕質(zhì)材料，實現(xiàn)了突破意義的減重；同年，全新電驅(qū)動系統(tǒng)推出，實現(xiàn)了零排放。推出新型車，該車整車質(zhì)量僅1245kg，一次充電續(xù)航里程可達200km，且百公里加速時間7.3s，靈活性獨特。未來互動愿景概念車其中，采用“LifeDrive”模塊化車身架構(gòu)設(shè)計，由乘員座艙（Life）模塊和底盤驅(qū)動（Drive）模塊兩部分組成。乘員座艙模塊又稱生命模塊，其構(gòu)成駕乘人員的乘用空間，采用CFRP制成的生命模塊，質(zhì)量輕、安全性非常高，且乘用感寬敞、均稱。底盤驅(qū)動模塊又稱eDrive驅(qū)動系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由鋁合金制成，集成了電機（最大功率125kW，最大扭矩250N·m）、電池和燃油發(fā)動機等動力部件。車體上部的生命模塊公司通過與SGL汽車用碳纖維材料公司合作，歷經(jīng)10多年研發(fā)，開始生產(chǎn)自己所需的碳纖維。其新型車中生命模塊的制造工藝：將碳纖維織成織物后浸潤于專用樹脂中，制成預浸料；將預浸料熱定型成剛性車身零件；采用專門開發(fā)的技術(shù)，將車身零件全自動地黏合成完整的車身部件。所得CFRP車身具備極高的抗壓強度，能承受更快的加速度，整車的敏捷性和路感都非常好。CFRP車體制造工藝CFRP作為新概念貨運卡車的車體結(jié)構(gòu)世界零售業(yè)巨頭沃爾瑪公司在美國擁有1支由近6000輛貨車組成的卡車車隊，它們會將產(chǎn)品送至遍布于美國的數(shù)千家門店。該車隊為保持持續(xù)的生存能力和效率，一直以“行駛里程更少，運輸量更多”為目標，依靠提高司機駕駛技術(shù)、采用先進牽引掛車、改進過程與系統(tǒng)籌劃等措施，實現(xiàn)2007-2015年間車隊行駛超480萬km，運送集裝箱數(shù)超8億，運輸效率較2005年提高84.2%。其中，牽引掛車的性能對實現(xiàn)“多拉少跑”的目標關(guān)系重大，故沃爾瑪公司投入巨資開展“先進車輛體驗”的新概念卡車研究計劃。已研制的新概念卡車集成了空氣動力學、微型渦輪混合動力驅(qū)動系統(tǒng)、電氣化、先進控制系統(tǒng)，以及CFRP車體等前沿技術(shù)。主要技術(shù)創(chuàng)新：先進的空氣動力學設(shè)計，整體造型優(yōu)雅，氣動性能較現(xiàn)行的386型卡車提高20%；微型渦輪混合電力驅(qū)動系統(tǒng)清潔、高效、節(jié)油；司機座位設(shè)計于駕駛室中央，具有180°的視野；電子儀表盤可提供定制化的量程和性能數(shù)據(jù)；滑動型車門和折疊型臺階提高了安全和安保性能；空間寬敞的駕駛室設(shè)有帶折疊床的可伸縮臥室。牽引掛車的整個車身采用CFRP制成，頂部和側(cè)墻均采用16.2m（53英尺）長的單塊板材，其優(yōu)異的力學性能可確保車體的結(jié)構(gòu)強度；采用先進黏結(jié)劑黏合，最大限度地減少了鉚釘數(shù)量；凸鼻形的造型設(shè)計可在充分保證載貨容量的前提下，有效提高氣動性能；低剖面LED燈光更節(jié)能、耐用。新概念卡車目前，該計劃已完成84%的任務(wù)量，但仍有許多創(chuàng)新性技術(shù)有待繼續(xù)研發(fā)?？梢灶A見，沃爾瑪公司的新概念卡車對推進卡車技術(shù)的進步和拓展碳纖維的應(yīng)用，有非常大的作用。CFRP作為風電葉片的增強結(jié)構(gòu)風能是最具成本優(yōu)勢的可再生能源，風能發(fā)電在近10年來已取得飛速發(fā)展。為提高風力發(fā)電機的風能轉(zhuǎn)換效率，增大單機容量和減輕單位千瓦質(zhì)量是關(guān)鍵。20世紀90年代初期，風電機組單機容量僅為500kW，而如今，單機容量10MW的海上風力發(fā)電機組都已產(chǎn)品化。風電葉片是風電機組中有效捕獲風能的關(guān)鍵部件，葉片長度隨風電機組單機容量的提高而不斷增長。根據(jù)頂旋理論，為獲得更大的發(fā)電能力，風力發(fā)電機需安裝更大的葉片。因葉片長度的問題，業(yè)界就是否需發(fā)展10MW及以上能力的風力發(fā)電機存有爭議，但主流觀點是需要發(fā)展的。相關(guān)人員認為：面積與體積的關(guān)系的科學定律將最終限制葉輪直徑的不斷增長，但目前還未達到極限，制造10MW風力發(fā)電機在技術(shù)上是可行的；且從運營效益上看，降低每兆瓦時的運營成本，必須提高風力發(fā)電機的容量。葉片直徑的增長過程葉輪直徑的增加對葉片的質(zhì)量及抗拉強力提出了更輕、更高的要求。CFRP是制造大型葉片的關(guān)鍵材料，其可彌補玻璃纖維復合材料（GFRP）的性能不足。但長期以來，出于成本因素，CFRP在葉片制造中只被用于樑帽、葉根、葉尖和蒙皮等關(guān)鍵部位。近年，隨著碳纖維價格穩(wěn)中有降，加之葉片長度進一步加長，CFRP的應(yīng)用部位增加，用量也有較大提升。2014年，成功研制出國內(nèi)最長的6MW風機葉片，該葉片全長77.7m、質(zhì)量28t，其中主梁由5t的國產(chǎn)CFRP制成。如采用GFRP設(shè)計，則該葉片質(zhì)量將約達36t。6MW風機葉片加工與試驗現(xiàn)場碳纖維紙作為燃料電池的電極氣體擴散材料燃料電池是指不經(jīng)過燃燒，直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。燃料電池在等溫條件下工作，其利用電化學反應(yīng)，將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，是一種備受矚目的清潔能源技術(shù)，轉(zhuǎn)化效率非常高（除10%的能量以廢熱形式浪費外，其余的90%都轉(zhuǎn)化成了可利用的熱能和電能）且環(huán)境友好；而相較之下，使用煤、天然氣和石油等化石燃料發(fā)電時，60%的能量以廢熱的形式浪費，還有7%的電能浪費在傳輸和分配過程中，只有約33%的電能可以真正用到用電設(shè)備上。燃料電池與化石燃料發(fā)電利用率的比較各類燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的功率密度大、能量轉(zhuǎn)換率高、低溫啟動性最好，且體積小、便攜性好，是理想的汽車用電源。質(zhì)子交換膜燃料電池由陰極、電解質(zhì)和陽極這3個主要部分組成，其工作原理：（1）陰極將液氫分子電離。液氫流入陰極時，陰極上的催化劑層將液氫分子電離成質(zhì)子（氫離子）和電子。（2）氫離子通過電解質(zhì)。位于中央?yún)^(qū)域的電解質(zhì)允許質(zhì)子通過到達陽極。（3）電子通過外部電路。由于電子不能通過電解質(zhì)，只能通過外部電路，故而形成了電流。（4）陽極將液氧電離。液氧通過陽極時，陽極上的催化劑層將液氧分子電離成氧離子和電子，并與氫離子結(jié)合生成純水和熱；陽極接受電離所產(chǎn)生的電子?？蓪⒍鄠€質(zhì)子交換膜燃料電池連接起來組成燃料電池組，可提高電能的輸出量。燃料電池工作機理美國聯(lián)合技術(shù)公司是全球軍民用燃料電池產(chǎn)品技術(shù)的領(lǐng)先企業(yè)。聯(lián)合技術(shù)動力公司原是一個業(yè)務(wù)部門，其產(chǎn)品廣泛用于航天器、潛艇、建筑、公交巴士和家用汽車等領(lǐng)域。20世紀90年代早期，公司便已制造出大型固定式燃料電池電站，并投入商業(yè)化運行。此后1