碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展(三)*

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(三)*

周 宏

军委后勤保障部军需装备研究所，北京100082

ZhouHong

(上接2017年第3期第6页)

9 CFRP作为电力电缆的芯材

电能是生产、生活必需的一种常备能源，其在从发电厂输送至用电场所的过程中，存在着严重的线损问题。线损即指输电、变电、配电等电力输送环节产生的电能耗损[27]。

提高架空线中传输的电流会造成电缆发热。若此时电缆材质耐热性能差，则电缆的承载力下降，进而产生弧垂。而弧垂既是一个重要的线损源，又是限制架空线提高传输容量的一项主要因素。

钢芯铝导线中的增强钢芯受热即产生弧垂，超过70.000 ℃时弧垂使电缆严重下垂，更有可能与邻近物体接触导致短路，甚至落至地面危及人员生命与安全。由弧垂引发的短路会使邻近的架空线和变压器瞬间过载，引起灾难性故障。自承式铝绞线虽能允许短暂的、较高的运行温度(150.000 ℃)，但也无法避免弧垂的产生[28]。

复合材料芯铝导线(ACCC)以复合材料芯替代金属芯，为解决架空线弧垂问题开辟了更有效的技术途径。2002年，基于ACCC专利技术，全球供配电设备技术领先企业——美国CTC Global公司展开了产品的研发。当时的开发目标是，在不对现有架空线承载塔架做任何变动且不增加现行导线的质量或直径的前提下，开发CFRP芯铝导线，降低热弧垂、增大塔架距离、增加承载电流、减少线损、提高供电网络可靠性等。2005年，该公司首次推出商业化的ACCC产品，所研制的CFRP芯铝导线的强度是相同质量钢芯铝导线的2倍、传输的电流容量是其他芯材铝导线的2倍、线损较其他芯材铝导线降低了25%～40%，其高容、高效和低弧垂等性能远超越了其他芯材铝导线。

图25 钢芯铝导线和CFRP芯铝导线的截面对比

图25为相同直径铝导线的截面对比，其中，钢芯的直径明显大于CFRP芯的直径，这使得CFRP芯铝导线可容纳更多的铝导线，故CFRP芯铝导线的抗损能力提高[29]。

10 CFRP作为压力容器的缠绕增强材料

高压容器主要用于航空航天器、舰船、车辆等运载工具所需气态或液态燃料的储存，以及消防员、潜水员用正压式空气呼吸器中气体的存储。为能在有限空间内尽可能多地存储气体，需对气体进行加压，因此，需对容器进行增强，提高容器的承压能力，以确保安全。

20世纪40年代，美国开始武器系统用复合材料增强高压容器的研究。1946年，美国研制出纤维缠绕压力容器。20世纪60年代，北极星和土星等型号的固体火箭发动机壳体上采用了纤维缠绕技术，实现了结构的轻质高强。1975年，美国开始研制轻质复合材料高压气瓶，采用S- 玻纤/环氧、对位芳纶/环氧缠绕技术，制造复合材料增强压力容器。

后来，科学家们纷纷研制出由玻璃纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶和PBO纤维等增强的多种先进复合材料(表3)。其中，对位芳纶曾大量用于各种航空航天器用压力容器的缠绕增强，后逐渐被碳纤维所取代[30]37，[31]47。20世纪70年代，纤维缠绕金属内衬轻质压力容器被大量用于航天器和武器的动力系统中。20世纪80年代，碳纤维增强无缝铝合金内衬压力容器出现，其使复合材料增强压力容器的制造费用更低、质量更轻、可靠性更高。

表3 复合材料增强压力容器中缠绕增强用高性能纤维的性能对比

复合材料增强压力容器具有破裂前先泄漏的疲劳失效模式，提高了安全性。因此，全缠绕复合材料高压容器已在卫星、运载火箭和导弹等航天器中广泛使用。阿波罗(Appolo)登月飞船曾使用的钛合金球形氦气瓶，其容积92 L、爆破压力≥47 MPa、质量26.8 kg。标准航空航天用钢内衬复合氦气瓶质量20.4 kg，铝内衬复合氦气瓶质量11.4 kg，无内衬复合氦气瓶质量仅6.8 kg(相较于钛合金球形氦气瓶质量减少了75%)[30]37。

高性能纤维是全缠绕纤维增强压力容器的主要增强体。通过对高性能纤维的含量、张力、缠绕轨迹等进行设计和控制，可充分发挥高性能纤维的性能，确保复合材料增强压力容器性能均一、稳定，爆破压力离散度小。车用高压Ш型氢气瓶(金属内胆全缠绕)的材料成本中，近70%为增强纤维，其余约30%为内胆和其他材料[31]47。

20世纪30年代，意大利率先将天然气用作汽车燃料。早期车用气均使用钢质气瓶，其厚重问题始终限制着钢质气瓶的扩大应用。20世纪80年代初，玻璃纤维环向增强铝(或钢)内胆的复合气瓶诞生。由于环向增强复合气瓶的轴向强度欠佳，故其金属内胆依然较厚。为解决此问题，同时对环向和轴向进行增强的全缠绕纤维增强复合气瓶应运而生，金属内胆的厚度大幅减薄、质量显著减小。20世纪90年代，以塑料作为内胆的复合气瓶出现。如今，在新能源汽车领域，燃料电池动力汽车用高压储氢气瓶可承受的压力已达到70 MPa(图26)。

图26 燃料电池动力汽车用CFRP增强液氢储罐

11 CFRP作为铀浓缩超高速离心机的高速转子材料

民用核电反应堆燃料组件中，二氧化铀中铀235的质量分数为4.0%～5.0%，而在制造核弹所需的核燃料中，铀235的质量分数至少要在90.0%以上。

天然铀矿石的主要成分是铀238，铀235的质量分数仅为0.7%。工业上常采用气体扩散法进行铀浓缩，尽管该方法投资大、耗能高，但却是目前唯一可行的方法。铀235和铀238的六氟化铀气态化合物，两者分子质量相差不到百分之一。加压分离时，这不到百分之一的分子质量差会促使铀235的六氟化铀气态化合物能以稍快的速度通过多孔隔膜。每通过1次多孔隔膜，铀235的含量就会稍有增加，但增量十分微小。因此，为获得高纯度铀235，需让六氟化铀气体数千次地通过多孔隔膜。工业加工就是让六氟化铀气体反复地通过级联的多台离心机，实现对铀235的浓缩(图27)。

图27 铀浓缩气体离心机的工作原理及现场照片

铀浓缩气体离心机技术是核燃料生产的关键，是衡量核技术水平的重要标志。铀浓缩气体离心机具有高真空、高转速、强腐蚀、高马赫数、长寿命、不可维修等特点，其研制涉及机械、电气、力学、材料学、空气动力学、流体力学、计算机应用等多学科的理论和技术，难度非常大[32]。 离心机中转子的转速与气体分离效率直接相关。转子转速越高，气体分离效率也越高。因此，确保转子转速在60 000 r/min以上，是铀浓缩气体离心机最基本的性能要求[33]，但如此高的转速对转子的材质提出了非常苛刻的要求。金属材质的转子根本无法达到如此高的转速，因为它无法跨越共振频率，金属材质的转子一旦达到共振频率便会碎裂；而CFRP材质的转子则不存在这一问题，其可耐受更高的转速。故早在20世纪80年代，CFRP就已被用于制造铀浓缩气体离心机的高速转子。且随着CFRP技术的进步，CFRP材质的转子可耐受更高的转速，铀浓缩效率大幅提升。

鉴于其在铀浓缩生产中的重要作用，CFRP高速转子技术和产品被严禁流入非核国家。

12 CFRP作为特种管筒的增强材料

与压力容器长时间持续耐压不同，枪管、炮管、液压作动筒等特种管筒需在较长时间内高频次地承受和释放高压。由碳纤维缠绕或预浸料包覆增强的此类特殊用途的承压管筒，在减轻自身质量、改进散热、提高精度、延长寿命等方面，效果非常明显。

美国普鲁夫实验(PROOF Research)公司是一家总部位于美国蒙大拿州的科技企业，公司研发了一款CFRP增强枪管。其通过将先进复合材料技术与热-机械设计原理相融合，并采用航空专用碳纤维和航天高温树脂，研制出新一代运动用和军用CFRP增强枪管。与钢质枪管相比，CFRP增强枪管自身质量最多可减小64%，射击精度可达比赛级要求。此外，该公司研制的CFRP增强枪管在设计与制造工艺上适应了碳纤维的纵向(即枪管长度方向)热扩散特性，能更有效地通过枪管壁散热，极大地提高热扩散效率，且枪管能快速冷却，并可在持续开火状态下更长时间地保持射击精确度，是被美国军队唯一验证过的CFRP增强枪管(图28)[34]。

图28 CFRP增强枪管(PROOF Research公司)

CFRP技术在枪管上的成功应用很快推广到对各式炮管的增强[34]。同时，利用CFRP增强的特种液压作动筒也已面市。

13 CFRP作为公共基础设施建设用的关键材料

桥梁是重要的交通基础设施。在建设跨江河、跨海峡的大型交通通道中，需修建很多大跨度(即桥墩之间的距离)的桥梁。悬索桥是超大跨度桥梁的最终解决方案[35]61。

跨径(即桥梁全长)增大会使悬索桥钢质主缆的强度利用率、经济性和抗风稳定性急剧降低。目前，在大跨度悬索桥中，高强钢丝主缆自身质量占上部结构恒载的比例已达30%以上，主缆应力中活载所占比例减小。如，跨度为1 991 m的日本明石海峡大桥，钢质主缆应力中活载所占比例仅约为8%。

此外，跨径增大还会降低桥梁的气动稳定性。有研究表明，从气动稳定性角度考虑，2 000 m是加劲梁断面和缆索系统悬索桥的跨径极限。而改善结构抗风性能，需解决好提高结构整体刚度、控制结构振动特性和改善断面气动特性等3个问题。大跨度悬索桥的结构刚度取决于主缆的力学性能。CFRP的力学特性使得其成为了大跨度悬索桥主缆的优选材料。利用悬索桥非线性有限元专用软件BNLAS，研究主跨3 500 m的CFRP主缆悬索桥模型的静力学和动力学性能最优结构体系，得出：CFRP主缆自身质量应力百分比大幅降低，活载应力百分比提高到13%(钢主缆为7%)，结构的竖弯、横弯及扭转的基频大幅提高；CFRP主缆安全系数的增加将提高结构的竖向刚度和扭转刚度；增大CFRP主缆的弹性模量可大幅减小活载竖向挠度，提高竖弯基频和扭转基频。

总之，CFRP主缆可明显提升大跨度悬索桥的整体性能，其应用潜力巨大[35]62。

此外，建筑与民用工程领域是最早将碳纤维用于结构增强的。通过在桥梁等建筑物上铺覆碳纤维织物，可提高水泥结构体的耐用性，以及水泥结构建筑物的抗震性能(图29)。

图29 CFRP在建筑与民用工程中的补强应用

未来，CFRP很可能成为名副其实的建筑材料。世界各国都在加快技术开发，使CFRP能直接用作建筑结构材料。如，利用CFRP的导电性制作建筑用电磁防护材料；在CFRP中嵌入传感器制作智能建筑材料，利用传感器传送的数据实时掌握建筑物结构可能受到的损害等。

14 CFRP在医疗器械和工业设备领域的应用

CFRP能传导微电流，且X射线透射率高，可在清晰成像的前提下利用较低电压降低射线剂量，减轻对人体的副作用并实现节能。影像检查和放射治疗设备用CFRP床板，以及CFRP手术器具，与人体生物相容，且耐侵蚀、易清洁、轻质、易移动、易调节；核磁共振仪中，为形成高磁场，仪器配有在绝对零度(即液氦-268.785 ℃)下产生超导效应的磁铁，其支撑结构便由CFRP制造；此外，CFRP假肢和矫形器，强度高、质量轻、功能更完善(图30)[36-37]。

此外,工业设备用辊是CFRP的最早应用之一(图31)。当今，制膜、造纸和印刷等行业，辊的转速和宽度都在持续增加，而钢质或铝质的辊已经无法满足加工、安装和使用等的要求。CFRP辊的辊径在30～1 200 mm 或更大，辊长最大达13 000 mm，其表面特性和额定负载可定制。CFRP辊质量轻、惯性小、偏转低、固有频率高、力学性能优异，其在超高速下可稳定旋转、加速和刹车，且环境适应性好、不变形，可精密安装，维护成本低、使用寿命长[38]。由碳纤维增强橡胶和金属制成的管、杆等零件，强度高、抗撕裂性能优异[39]。由短切碳纤维增强尼龙或聚碳酸酯制成的CFRP部件，轻薄、抗静电、抗电磁，被广泛用于笔记本电脑、液晶投影仪、照相机和大型液晶显示板等电子产品的机身或外壳中。

图30 CFRP在医疗器械中的应用实例

图31 CFRP在工业设备中的应用实例

15 CFRP在体育休闲用品领域的应用

体育休闲用品是CFRP最早进入市场化的应用领域。随着性价比的提高，这一领域已形成了对CFRP的稳定需求。滑雪板、滑雪手杖、冰球杆、网球拍和自行车等，都是CFRP在体育休闲用品中的典型应用(图32)。

图32 CFRP在体育休闲用品中的应用实例

16 碳纤维在时尚产品中的应用

碳纤维自身具有的黑亮色泽，及其机织物和编织物的纹理与质感，都是时尚设计师们所喜爱的独特造型元素。目前，使用碳纤维制成的服装饰品有鞋、帽、腰带、首饰、钱包(夹)、眼镜架等，旅行用品有行李箱等，居家用具有桌、椅、浴缸等(图33)。近来，CFRP还被用于制作提琴和吉他等弦乐器，其音质与木质乐器相同，声响效果更佳，乐音能穿透钢琴或合唱队的声音，可充满很大的音乐厅，且不怕磕碰、不受气候变化影响，雨雪天气仍可演奏[40]。碳纤维的特质使得这些产品拥有无可替代的时尚性和艺术性，为生活增添了极致奢华的技术和艺术享受。

图33 碳纤维在时尚产品中的应用实例

17 结语

综上可见，碳纤维在众多领域有着广泛的应用。应用市场的不断细分推动着碳纤维技术的差别化发展，将有更多、更好的碳纤维制品被制造出来，以促进社会绿色发展、满足人们多样化的生活需求。

(全文完)

致谢：感谢中材科技风电叶片股份有限公司陈淳副总经理提供公司制造风电叶片的现场照片；感谢“十二五”国家重点科技专项(高性能纤维及复合材料专项)专家组各位同仁的赐教；感谢各位参考文献的作者。

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[40] Carbon fiber： Beauty in strength [EB/OL].https：//luisandclark.com/the-instruments/.

Sixteen main application areas and recent technical progress for the carbon fiber： Part 3

Quartermaster Research Institute of PLA, Beijing 100082, China

*2016年度国家出版基金支持(2016T-008)

2016-09-28 修改日期：2017-05-21

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，以及国产高性能纤维技术发展战略研究工作

TQ327.3， TS102.4

A

1004-7093(2017)05-0001-07