碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展(二)*

周 宏

军委后勤保障部军需装备研究所，北京100082

碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展(二)*

周 宏

军委后勤保障部军需装备研究所，北京100082

(上接2017年第1期第6页)

5 CFRP作为电动汽车的车体结构材料

英国材料系统实验室关于材料对汽车轻量化和降低生产成本的研究表明，汽车质量每减轻10%，油耗可降低6%。现有材料中，CFRP的轻量化效果最好[12]，加之汽车设计和复合材料技术的快速发展，这些都使得CFRP在汽车制造领域的应用速度远远超出人们的预期。

BMW公司BMW i型车的推出引领了这一潮流。2008年，BMW公司在慕尼黑召开会议，目的是让城市交通技术发生彻底的变革，其建立了一个“i计划(Project i)”的智库，唯一的任务就是“忘掉以前所做的一切，重新思考一切”。2009年，该智库形成了一个全新的节能概念——“BMW有效动力愿景(BMW Vision Efficient Dynamics)”，奠定了BMW公司后续研究的思想基础，它要求对车身和驱动系统进行专门的设计，以达到全新的节能性，而此前的想法都是将已有的节能技术集成到既有的模板中。2011年，BMW公司确立了“天生电动(Born Electric)”技术，创立了BMW i品牌，其让人们在日常驾驶出行中用上了全电动能源；同年，第一款全电动BMW i3概念车实现技术演示。2012年，兼具高能效和更优异运动跑车性能的BMW i8概念车推出，其采用CFRP、铝和钛等轻质材料，实现了突破意义的减重；同年，全新BMW i3电驱动系统(eDrive Propulsion System)推出，实现了零排放。2013年，BMW i3实现量产。2014年，BMW i8实现量产。2016年，BMW公司在美国拉斯维加斯消费电子展上推出BMW i 未来互动愿景(BMW i Vision Future Interaction)概念车(图13)；同时推出BMW i3(94Ah)型新车，该车整车质量仅1 245 kg，一次充电续航里程可达200 km，且百公里加速时间7.3 s，灵活性独特[13]。

图13 BMW i 未来互动愿景概念车

BMW i3采用“LifeDrive”模块化车身架构设计，由乘员座舱(Life)模块和底盘驱动(Drive)模块2部分组成。乘员座舱模块又称生命模块(图14)，其构成驾乘人员的乘用空间。采用CFRP制成的生命模块，质量轻、安全性非常高，且乘用感宽敞、舒适。底盘驱动模块又称eDrive驱动系统，其结构由铝合金制成，集成了电机(最大功率125 kW， 最大扭矩250 N·m)、电池和燃油发动机等动力部件。

图14 BMW i3车体上部的生命模块

BMW公司通过与SGL汽车用碳纤维材料(SGL Automotive Carbon Fibers)公司合作，历经10多年研发，开始生产自己所需的碳纤维。BMW i3型车中生命模块的制造工艺：将碳纤维织成织物后浸润于专用树脂中，制成预浸料；将预浸料热定型成刚性车身零件；采用专门开发的技术，将车身零件全自动地黏合成完整的车身部件(图15)。所得CFRP车身具备极高的抗压强度，能承受更快的加速度，整车的敏捷性和路感都非常好。

图15 生命模块的制造工艺(BMW公司)

6 CFRP作为新概念货运卡车的车体结构材料

世界零售业巨头沃尔玛(Walmart)公司在28个国家的63个区域拥有约11 500家门店。其在美国拥有1支由近6 000辆货车组成的卡车车队，由它们将产品送至遍布于美国的数千家门店。该车队为保持持续的生存能力和效率，一直以“行驶里程更少，运输量更多”为目标，依靠提高司机驾驶技术、采用先进牵引挂车、改进过程与系统筹划等措施，实现2007—2015年间车队运送集装箱数超8亿，行驶里程超480万km，运输效率较2005年提高84.2%。

其中，牵引挂车的性能对实现“多拉少跑”的目标关系重大，故沃尔玛公司投入巨资开展“沃尔玛先进车辆体验(The Walmart Advanced Vehicle Experience)”的新概念卡车研究计划。已研制的新概念卡车集成了空气动力学、微型涡轮混合动力驱动系统、电气化、先进控制系统，以及CFRP车体等前沿技术。主要技术创新：先进的空气动力学设计，整体造型优雅，气动性能较现行的Model 386型卡车提高20%；微型涡轮混合电力驱动系统清洁、高效、节油；司机座位设计位于驾驶室中央，具有180°的视野；电子仪表盘可提供定制化的量程和性能数据；滑动型车门和折叠型台阶提高了安全和安保性能；空间宽敞的驾驶室设有带折叠床的可伸缩卧室。牵引挂车的整个车身采用CFRP制成，顶部和侧墙均采用长度为16.2 m(即53英尺)的单块板材，其优异的力学性能可确保车体的结构强度；采用先进黏结剂黏合，最大限度地减少了铆钉数量；凸鼻形的造型设计可在充分保证载货容量的前提下，有效提高气动性能；低剖面LED灯光更节能、耐用[14-15](图16)。

图16 新概念卡车(沃尔玛公司)

目前，该计划已完成84%的任务量，但仍有许多创新性技术有待继续研发。可以预见，沃尔玛公司的新概念卡车对推进卡车技术的进步和拓展碳纤维的应用，有非常大的作用。

7 CFRP作为风电叶片的增强结构材料

风能是最具成本优势的可再生能源，风能发电在近10年已取得飞速发展。截至2016年5月，全球风电装机容量已近427 052 MW(表1)。并据预测，2020年前，全球新增风电装机容量将按25%的年增长率递增；到2020年，风力发电量将占世界总发电量的11.81%[16]。

表1 全球风电装机容量(截至2016年5月)

为提高风力发电机的风能转换效率，增大单机容量和减轻单位千瓦质量是关键。20世纪90年代初期，风电机组单机容量仅为500 kW；而如今，单机容量10 MW的海上风力发电机组都已产品化。风电叶片是风电机组中有效捕获风能的关键部件，叶片长度随风电机组单机容量的提高而不断增长(图17)。根据顶旋理论，为获得更大的发电能力，风力发电机需安装更大的叶片[17]26,[18]。1990年，叶轮直径(叶轮直径≈2×叶片长度+联轴器直径)为25.0 m；2010年，叶轮直径已达120.0 m。2011年，Kaj Lindvig预测海上风机的叶轮直径2015年 将达到135.0 m，2020年将达到160.0 m。但这一预测很快就被突破，美国超导(American Superconductor)公司2016年投入市场销售的10 MW海上风力发电机的叶轮直径就已达190.0 m[19]。但因叶片长度的问题，业界就是否需发展10 MW及以上能力的风力发电机存有争议，但主流观点是需要发展的。西门子风电(Siemens Wind Power)公司首席技术官认为，面积与体积的关系的科学定律将最终限制叶轮直径的不断增长，但目前还未达到极限，制造10 MW风力发电机在技术上是可行的；且从运营效益上看，降低每兆瓦时的运营成本，必须提高风力发电机的容量[20]。

图17 叶轮直径的增长

叶轮直径的增加对叶片的质量及抗拉强力提出了更轻、更高的要求。CFRP是制造大型叶片的关键材料，其可弥补玻璃纤维复合材料(GFRP)的性能不足。但长期以来，出于成本因素，CFRP在叶片制造中只被用于樑帽、叶根、叶尖和蒙皮等关键部位。近年，随着碳纤维价格稳中有降，加之叶片长度进一步增加，CFRP的应用部位增加，用量也有较大提升[17]25-29。2014年，中材科技风电叶片股份有限公司成功研制出国内最长的6 MW风机叶片，该叶片长度77.7 m、质量28 t，其中主梁由5 t的国产CFRP制成。如采用GFRP设计，则该叶片质量将约达36 t(图18)。

图18 6 MW风机叶片加工与试验现场 (中材科技风电叶片股份有限公司)

8 碳纤维纸作为燃料电池的电极气体扩散材料

燃料电池是指不经过燃烧，直接将化学能转化为电能的一种装置。燃料电池在等温条件下工作，其利用电化学反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，是一种备受瞩目的清洁能源，转化效率非常高(除10%的能量以废热形式浪费外，其余90%的能量都转化成了可利用的热能和电能)，且环境友好；而相较之下，使用煤、天然气和石油等化石燃料发电时，60%的能量以废热的形式浪费，还有7%的电能浪费在传输和配送过程中，只有约33%的电能可以真正用到用电设备上(图19)。

图19 燃料电池与化石燃料发电利用率的比较

图20 燃料电池工作机理

各类燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的功率密度大、能量转换率高、低温启动性最好，且体积小、便携性好，是理想的汽车用电源。质子交换膜燃料电池由阴极、电解液和阳极这3个主要部分组成，其工作机理(图20)：

(1) 阴极将液氢分子电离。液氢流入阴极时，阴极上的催化剂层将液氢分子电离成质子(氢离子)和电子。

(2) 氢离子通过电解液。位于中央区域的电解质允许质子通过到达阳极。

(3) 电子通过外部电路。由于电子不能通过电解质，只能通过外部电路，故而形成了电流。

(4) 阳极将液氧电离。液氧通过阳极时，阳极上的催化剂层将液氧分子电离成氧离子和电子，并与氢离子结合生成纯水和热；阳极接受电离所产生的电子。

可将多个质子交换膜燃料电池连接起来组成燃料电池组，提高电能的输出量。

美国联合技术(United Technologies)公司是全球军民用燃料电池产品技术的领先企业。联合技术动力(UTC Power)公司原是United Technologies公司的一个业务部门，其产品广泛用于航天器、潜艇、建筑、公交巴士和家用汽车等领域。20世纪90年代早期，UTC Power公司便已制造出大型固定式燃料电池电站，并投入商业化运行。此后10多年，UTC Power公司都在致力于公交巴士和家用汽车用燃料电池技术的研发。2005年12月，UTC Power公司研制的燃料电池在混合动力公交车上投入使用，由千棕榈阳光车道运输(SunLine Transit)公司在美国加利福尼亚州的千棕榈镇(Thousand Palms，CA)投入商业试运营[21]。

2008年以来，由于突破了成本和寿命等技术瓶颈，燃料电池的商业化应用取得实质性进展[23]。美国巴拉德动力(Ballard Power Systems)公司研制生产的FCveloCity®型燃料电池，是专为公交巴士和轻轨研制的第七代可扩展式模块化燃料电池，使用该燃料电池可组成30～200 kW的电源。2015年6月上市的85 kW级的FCveloCity型燃料电池，主要用于电动公交巴士(图21和图22)。

图21 85 kW级的FCveloCity型燃料电池(巴拉德动力公司)

图22 模块化燃料电池的应用(巴拉德动力公司)

碳纤维纸作为一种高性能的复合材料，是制造燃料电池质子交换膜电极中气体扩散层必不可少的多孔扩散材料(图23)。气体扩散层(GDL)构成气体从流动槽扩散到催化剂层的通道，是燃料电池的心脏，是膜电极组(MEA)中非常重要的支撑材料，其主要功能是作为连接膜电极组和石墨板的桥梁。气体扩散层可以帮助催化剂层外部生成的副产品—— 水尽快流走，避免积水造成溢流；还可帮助在膜的表面保持一定水分，确保膜的导电率；燃料电池运行过程中帮助维持热传导；此外，提供足够的力学强度，在吸水扩展时保持膜电极组的结构稳定性(表2)[22-24]。

图23 燃料电池用碳纤维纸、碳纤维布和碳纤维板(CE-Tech公司)

表2 CE-Tech公司生产的燃料电池用部分碳纤维纸牌号及性能指标

注： N1S1007是第二代碳基材料，具有更好的性能

在质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池中，同时使用碳纤维纸和碳纤维布作为气体扩散层的综合效果更好。每辆燃料电池电动汽车约需消耗碳纤维纸100 m2(即8 kg)[25]。

在2016年9月23—26日召开的全球铁路装备交易会上，法国阿尔斯通(Alstom)公司发布了其最新研制的全球首辆液氢燃料电池电动火车。该车属阿尔斯通公司Coradia iLint系列的区域型列车，是根据2014年与德国下萨克森州(German Landers of Lower Saxony)、北莱茵威斯特伐利亚州(North Rhine-Westphalia)、巴登符腾堡州(Baden-Württemberg)及黑森州(Public Transportation Authorities of Hesse)的公共交通部门签订的一项内部意向而研发的新一代零排放燃料电池动力火车。最新发布的液氢燃料电池电动火车全部采用成熟技术研制，车顶装有氢燃料电池，乘客舱底部装有锂电池、变流器和电动机[26]，它将开辟燃料电池更大的应用市场空间，促进碳纤维纸技术的进一步发展(图24)。

图24 全球首创的氢燃料电池动力火车(阿尔斯通公司)(未完待续)

[12] 王东川，刘启志，柯枫. 碳纤维增强复合材料在汽车上的应用[J]. 汽车工艺与材料，2005(4)：33-36.

[13] 深蓝.占据汽车制造“制高点” 碳纤维车身的BMW i8和i3引领行业变革[EB/OL].http://www.mrjjxw.com/shtml/mrjjxw/20140925/58278.shtml.

[14] Our story [EB/OL]. http://corporate.walmart.com/our-story.

[15] Truck fleet [EB/OL]. http://corporate.walmart.com/search?q=The+Walmart+Advanced+Vehicle+Experience.

[16] Global windicator 2016 [EB/OL].http://www.windpowermonthly.com/windicator-global-data.

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[20] SMITH P. Question of the week: Do we need a 10MW turbine? [EB/OL].http://www.windpowermonthly.com/article/1297819/question-week-need-10mw-turbine.

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[23] Fuelcell component [EB/OL]. http://www.ce-tech.com.tw/products.php?func=p_list&pc_parent=2.

[24] CeTech Co., Ltd. Fuel cell component, product specification, types of GDL, carbon paper (with micro porous layer) [E/OL]. http://www.ce-tech.com.tw/products.php?func=p_list&pc_parent=2.

[25] 赵传山，韩文佳.碳纤维纸的研究现状及其发展趋势[C]//全国特种纸技术交流会暨特种纸委员会第八届年会论文集.2013：38-47.

[26] Alstom unveils its zero-emission train Coradia iLint at InnoTrans [EB/OL].http://www.alstom.com/press-centre/2016/9/alstom-unveils-its-zero-emission-train-coradia-ilint-at-innotrans/.

Sixteen main application areas and recent technical progress for the carbon fiber: Part 2

ZhouHong

Quartermaster Research Institute of PLA, Beijing 100082, China

*2016年度国家出版基金支持(2016T-008)

2016-09-28

周宏，男，1963年生，教授级高级工程师，长期致力于对位芳纶基单兵作战防护装备技术研究工作，以及国产高性能纤维技术发展战略研究

TQ327.3， TS102.4

A

1004-7093(2017)03-0001-06