碳纖維的(de)十八個(gè)主要(yào / yāo)應用領域及技術進展

碳纖維是(shì)現代宇航工業的(de)物質基礎，具有不(bù)可替代性。CFRP被廣泛應用于(yú)導彈武器、空間平台和(hé / huò)運載火箭等航天領域。在(zài)導彈武器應用方面，CFRP主要(yào / yāo)用于(yú)制造彈體整流罩、複合支架、儀器艙、誘餌艙和(hé / huò)發射筒等主次承力結構部件（圖1）；在(zài)空間平台應用方面，CFRP可确保結構變形小、承載力好、抗輻射、耐老化和(hé / huò)空間環境耐受性良好，主要(yào / yāo)用于(yú)制造衛星和(hé / huò)空間站的(de)承力筒、蜂窩面闆、基闆、相機鏡筒和(hé / huò)抛物面天線等結構部件（圖2）；在(zài)運載火箭應用方面，CFRP主要(yào / yāo)用于(yú)制造箭體整流罩、儀器艙、殼體、級間段、發動機喉襯和(hé / huò)噴管等部件（圖3）。目前，CFRP在(zài)航天器上(shàng)的(de)應用已日臻成熟，其是(shì)實現航天器輕量化、小型化和(hé / huò)高性能化不(bù)可或缺的(de)關鍵材料。

圖1 CFRP在(zài)導彈武器上(shàng)的(de)應用示例

圖2 CFRP在(zài)衛星和(hé / huò)空間站上(shàng)的(de)應用示例

圖3 CFRP在(zài)運載火箭上(shàng)的(de)應用示例

20世紀70年代中期的(de)石油危機是(shì)碳纖維應用于(yú)飛機制造的(de)直接原因。爲(wéi / wèi)緩解能源危機，當時(shí)的(de)美國(guó)政府啓動了(le／liǎo)“飛機節能計劃（AircraftEnergy Efficiency Program）”。現代飛機機身采用鋼、鋁、钛等金屬和(hé / huò)複合材料制成。爲(wéi / wèi)節約燃油和(hé / huò)提高運營效益，減輕機身質量一(yī / yì ／yí)直是(shì)飛機設計制造技術中的(de)核心挑戰之(zhī)一(yī / yì ／yí)。而(ér)CFRP在(zài)飛機機身制造上(shàng)的(de)成熟應用爲(wéi / wèi)減輕飛機機身質量提供了(le／liǎo)最有效的(de)途徑。例如，以(yǐ)金屬材料爲(wéi / wèi)主制成的(de)波音767飛機（CFRP用量僅占3%）機身質量爲(wéi / wèi)60 t，而(ér)将CFRP用量提升到(dào)50%時(shí)，新型波音767飛機機身質量下降到(dào)48 t，僅此就(jiù)極大(dà)地(dì / de)提升了(le／liǎo)該型飛機的(de)能源和(hé / huò)環境效益。

正在(zài)研制的(de)波音777X型飛機（圖4）和(hé / huò)最新投産的(de)波音787型飛機，機身複合材料的(de)用量都達到(dào)了(le／liǎo)50%[5]。波音777X型飛機是(shì)波音公司以(yǐ)波音777飛機爲(wéi / wèi)基型，正在(zài)開發的(de)一(yī / yì ／yí)種大(dà)型雙引擎客機，計劃首架飛機于(yú)2020年交付投入運營。波音777X飛機的(de)主翼由CFRP制成，其翼展長約72m（235英尺），是(shì)目前客機中翼展最長的(de)機型之(zhī)一(yī / yì ／yí)。翼展越長，升力越大(dà)，因此，波音777X的(de)單座燃油消耗和(hé / huò)運營成本都非常有競争力。此外，CFRP機翼不(bù)僅強度高、柔性好，且末端可折疊，這(zhè)樣多數機場都能滿足其寬翼展的(de)停機需求。波音787飛機的(de)主翼和(hé / huò)機身等主承力結構都采用日本東麗公司（Toray Industries, Inc.）TORAYCA®品牌的(de)碳纖維預浸料制造。2005年11月，東麗公司與美國(guó)波音公司簽署了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)項爲(wéi / wèi)期10年的(de)協議，爲(wéi / wèi)波音787夢想号（Boeing 787 Dreamliner）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(guó)波音公司達成綜合協議，将爲(wéi / wèi)波音公司生産的(de)787和(hé / huò)777X兩型飛機提供價值約110億美元的(de)碳纖維預浸料。波音公司計劃提高787飛機的(de)月産量，将從2015年的(de)10架提高到(dào)2016年的(de)12架、2020年的(de)14架；同時(shí)，大(dà)型模塊的(de)比率也(yě)将提高，這(zhè)将極大(dà)地(dì / de)促進對CFRP的(de)需求。爲(wéi / wèi)保證波音787飛機月産量達12架後的(de)材料供應，位于(yú)美國(guó)華盛頓州塔科馬市（Tacoma，Washington）的(de)東麗複合材料（美國(guó)）公司[Toray Composites(America),Inc.]已于(yú)2016年1月完成了(le／liǎo)擴産；同時(shí)，日本東麗公司決定投資約4.7億美元，在(zài)其收購的(de)斯帕坦堡縣（Spartanburg County,South Carolina）廠區内建設包含原絲、碳纖維和(hé / huò)預浸料在(zài)内的(de)一(yī / yì ／yí)體化生産線，設計年産能爲(wéi / wèi)2 000 t，這(zhè)是(shì)東麗公司首次在(zài)美國(guó)建設一(yī / yì ／yí)體化的(de)碳纖維生産線，以(yǐ)用于(yú)研發波音777X飛機和(hé / huò)滿足月産14架波音787飛機的(de)需求。

圖4 CFRP在(zài)大(dà)型客機機身及承力結構中的(de)應用

2016年8月17日，英國(guó)最新研制的(de)“空中之(zhī)戀10号（Airlander 10）”大(dà)型飛艇完成了(le／liǎo)其處女航（圖5）。這(zhè)架飛艇是(shì)一(yī / yì ／yí)種輕于(yú)空氣的(de)航天器，被設計用來(lái)執行偵察、監視、通信、貨物與救援物資的(de)運輸，以(yǐ)及乘客交通等。該飛艇采用日本可樂麗（Kuraray）公司生産的(de)聚芳酯（Vectran）織物作蒙皮，蒙皮内充滿了(le／liǎo)帶壓氦氣；其形狀結構材料采用CFRP，最大(dà)化地(dì / de)減輕了(le／liǎo)飛艇自身質量。無人(rén)值守的(de)情況下，該飛艇一(yī / yì ／yí)次可最長在(zài)空中漂浮5天。

圖5 英國(guó)最新研制的(de)“空中之(zhī)戀10号（Airlander 10）”大(dà)型飛艇

瑞典在(zài)船艇制造技術方面有着傳統優勢，其夾層複合材料技術居世界一(yī / yì ／yí)流水平，較早便采用CFRP技術研制軍用艦船。2000年6月下水的(de)瑞典海軍維斯比号護衛艦（Stealth Visby）是(shì)世界第一(yī / yì ／yí)艘在(zài)艦體結構中采用CFRP的(de)海軍艦艇（圖6）。該艦長73.0 m、寬10.4 m、吃水深度2.4 m、排水量600 t；艦體采用CFRP夾層結構，具有高強度、高硬度、低質量、耐沖擊、低雷達和(hé / huò)磁場信号，以(yǐ)及吸收電磁波等優異性能。

圖6 CFRP在(zài)艦船船體結構中的(de)應用

由于(yú)成本原因，雖船舶中大(dà)量使用CFRP還有待時(shí)日，但其已實際用于(yú)制造民用新概念船艇和(hé / huò)軍用艦船關鍵部件。2010年，德國(guó)Kockums公司爲(wéi / wèi)瑞典探險家制造了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)條幾乎全部采用CFRP的(de)新概念太陽能探險船——TuANor PlanetSolar。該船長31.0 m、寬15.0 m，以(yǐ)太陽能爲(wéi / wèi)動力。2010年9月27日，瑞典探險家Raphael Domjan駕駛該船出(chū)海，開始環球探險航行（圖7）。

圖7 CFRP在(zài)新概念船艇中的(de)應用

CFRP還已用于(yú)艦船推進器葉片、一(yī / yì ／yí)體化桅杆和(hé / huò)先進水面艦艇上(shàng)層建築的(de)制造。

低噪聲、安靜運行是(shì)軍用艦船領域的(de)一(yī / yì ／yí)項核心技術，是(shì)艦船（特别是(shì)潛艇）性能的(de)關鍵指标。因爲(wéi / wèi)螺旋槳高速運轉時(shí)，其槳葉片上(shàng)會産生時(shí)滅的(de)空泡，導緻槳葉剝蝕，并伴有強烈的(de)振動和(hé / huò)噪聲。CFRP葉片不(bù)僅更輕、更薄，還可改善空泡性能、降低振動和(hé / huò)水下特性、減少燃油消耗。圖8（a）爲(wéi / wèi)以(yǐ)色列Deadliest号潛艇所用螺旋槳；圖8（b）爲(wéi / wèi)日本中島推進器有限責任公司（Nakashima PropellerCo., Ltd.）研制生産的(de)CFRP大(dà)型貨輪螺旋槳，它已于(yú)2014年5月安裝在(zài)太鼓丸号（Taiko Maru）化學品貨輪上(shàng)。圖9爲(wéi / wèi)英國(guó)羅伊斯羅爾斯公司（Rolls-Royce plc）爲(wéi / wèi)班尼蒂（Benetti）遊艇生産的(de)CFRP材質的(de)推進器系統。

圖8 CFRP用于(yú)制造潛艇和(hé / huò)貨輪推進器系統的(de)螺旋槳槳葉

圖9 CFRP用于(yú)制造遊艇的(de)推進器系統

此外，隐身也(yě)是(shì)評價軍用艦船先進性水平的(de)一(yī / yì ／yí)項重要(yào / yāo)指标。提高隐身性能必須減小艦船體的(de)雷達反射截面，并降低其光學特性。在(zài)過去，艦船上(shàng)層建築上(shàng)都豎立着多根挂滿各種鞭狀和(hé / huò)條狀的(de)天線桅杆，它們極大(dà)地(dì / de)阻礙了(le／liǎo)艦船在(zài)探測設備中的(de)隐身能力。1995年，美軍開始研究一(yī / yì ／yí)體式桅杆系統，其将各種天線設計成平面形或球形陣列，并集成于(yú)采用能反射電波的(de)複合材料制成的(de)一(yī / yì ／yí)體式桅杆系統中，可防風雨和(hé / huò)鹽霧的(de)侵害。且更進一(yī / yì ／yí)步的(de)是(shì)，美軍下一(yī / yì ／yí)代作戰艦艇的(de)整個(gè)上(shàng)層建築都采用複合材料制造。2016年10月15日，美國(guó)海軍舉行了(le／liǎo)其首艘朱姆沃爾特級驅逐艦（Zumwalt-classdestroyer）的(de)入列儀式。該艦是(shì)美國(guó)海軍的(de)下一(yī / yì ／yí)代主戰艦艇，其集成了(le／liǎo)當今最尖端的(de)海軍艦船技術，艦體造型、電驅動力、指揮控制、情報通信、隐身防護、偵測導航、火力配置等性能均具超越性。特别值得注意的(de)是(shì)，該艦上(shàng)層建築及内嵌天線系統由美國(guó)雷神公司（Raytheon）負責設計制造，采用了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)體化模塊式複合材料結構（Integrated CompositeDeckhouse and Assembly，簡稱IDHA），質量輕、強度高、耐鏽蝕、透波性好，具有極佳的(de)隐身性能，被發現概率低于(yú)10%（圖10）。

圖10 朱姆沃爾特級驅逐艦及施工中的(de)複合材料上(shàng)層建築

CFRP是(shì)新一(yī / yì ／yí)代高速軌道(dào)列車車體選材的(de)重點，它不(bù)僅可使軌道(dào)列車車體輕量化，還可以(yǐ)改進高速運行性能、降低能耗、減輕環境污染、增強安全性[11]。當前，CFRP在(zài)軌道(dào)車輛領域的(de)應用趨勢：從車箱内飾、車内設備等非承載結構零件向車體、構架等承載構件擴展；從裙闆、導流罩等零部件向頂蓋、司機室、整車車體等大(dà)型結構發展；以(yǐ)金屬與複合材料混雜結構爲(wéi / wèi)主，CFRP用量大(dà)幅提高。

圖11列出(chū)了(le／liǎo)1節地(dì / de)鐵列車中間車輛各部分的(de)質量比例，其中車身質量約占36%、車載設備約占29%、内部裝飾約占16%[10]73 。由于(yú)車載設備幾乎沒有減重空間，因此，車身和(hé / huò)内部裝飾就(jiù)成爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)輕量化的(de)重點對象。2000年，法國(guó)國(guó)營鐵路公司（SNCF）采用碳纖維複合材料研制出(chū)雙層 TGV型挂車；韓國(guó)鐵道(dào)科學研究院（KRRI）以(yǐ)此爲(wéi / wèi)基礎，研制出(chū)運行速度爲(wéi / wèi)180 km/h 的(de)TTX型擺式列車車體，其采用不(bù)鏽鋼增強骨架，側牆體和(hé / huò)頂蓋采用鋁蜂窩夾芯，蒙皮采用CFRP構成的(de)三明治結構，車體外殼總質量比鋁合金結構降低了(le／liǎo)40%，且車體強度、疲勞強度、防火安全性、動态特性等性能良好，并于(yú)2010年投入商業化運營（圖12）。

圖11 地(dì / de)鐵列車中間車輛各部分的(de)質量比例

圖12 TTX型擺式列車車體

2011年，韓國(guó)鐵道(dào)科學研究院（KRRI）研制出(chū)CFRP地(dì / de)鐵轉向架構架，質量爲(wéi / wèi) 635 kg，比鋼質構架的(de)質量減少約30%。日本鐵道(dào)綜合技術研究所（JRTI）與東日本客運鐵道(dào)公司（East Japan RailwayCompany）聯合研制的(de)CFRP高速列車車頂，使每節車箱減輕300~500 kg。2014 年9月，日本川崎重工（Kawasaki）研制的(de) CFRP 構架邊梁，其質量比金屬梁減少約40%。

英國(guó)材料系統實驗室關于(yú)材料對汽車輕量化和(hé / huò)降低生産成本的(de)研究表明，汽車質量每減輕10%，油耗可降低6%。現有材料中，CFRP的(de)輕量化效果最好；加之(zhī)，汽車設計和(hé / huò)複合材料技術的(de)快速發展。這(zhè)些都使得CFRP在(zài)汽車制造領域的(de)應用速度遠遠超出(chū)人(rén)們的(de)預期。

BMW公司BMWi型車的(de)推出(chū)引領了(le／liǎo)這(zhè)一(yī / yì ／yí)潮流。2008年，BMW公司在(zài)慕尼黑召開會議，目的(de)是(shì)讓城市交通技術發生徹底的(de)變革，其建立了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)個(gè)“i計劃（Project i）”的(de)智庫，唯一(yī / yì ／yí)的(de)任務就(jiù)是(shì)“忘掉以(yǐ)前所做的(de)一(yī / yì ／yí)切，重新思考一(yī / yì ／yí)切”。2009年，該智庫形成了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)個(gè)全新的(de)節能概念——“BMW有效動力願景（BMW Vision EfficientDynamics）”，奠定了(le／liǎo)BMW公司後續研究的(de)思想基礎，它要(yào / yāo)求對車身和(hé / huò)驅動系統進行專門的(de)設計，以(yǐ)達到(dào)全新的(de)節能性，而(ér)此前的(de)想法都是(shì)将已有的(de)節能技術集成到(dào)既有的(de)模闆中。2011年，BMW公司确立了(le／liǎo)“天生電動（Born Electric）技術”，創立了(le／liǎo)BMWi品牌，其讓人(rén)們在(zài)日常駕駛出(chū)行中用上(shàng)了(le／liǎo)全電動能源；同年，第一(yī / yì ／yí)款全電動BMWi3概念車實現技術演示。2012年，兼具高能效和(hé / huò)更優異運動跑車性能的(de)BMWi8概念車推出(chū)，其采用CFRP、鋁和(hé / huò)钛等輕質材料，實現了(le／liǎo)突破意義的(de)減重；同年，全新BMW i3電驅動系統（eDrive Propulsion System）推出(chū)，實現了(le／liǎo)零排放。2013年，BMW i3實現量産。2014年，BMW i8實現量産。2016年，BMW公司在(zài)美國(guó)拉斯維加斯消費電子(zǐ)展上(shàng)推出(chū)BMW i 未來(lái)互動願景（BMW i Vision FutureInteraction）概念車（圖13）；同時(shí)推出(chū)BMWi3（94Ah）型新車，該車整車質量僅1 245kg，一(yī / yì ／yí)次充電續航裏程可達200 km，且百公裏加速時(shí)間7.3 s，靈活性獨特。

圖13 BMW i 未來(lái)互動願景概念車

其中，BMW i3采用“LifeDrive”模塊化車身架構設計，由乘員座艙（Life）模塊和(hé / huò)底盤驅動（Drive）模塊兩部分組成。乘員座艙模塊又稱生命模塊（圖14），其構成駕乘人(rén)員的(de)乘用空間，采用CFRP制成的(de)生命模塊，質量輕、安全性非常高，且乘用感寬敞、均稱。底盤驅動模塊又稱eDrive驅動系統，其結構由鋁合金制成，集成了(le／liǎo)電機（最大(dà)功率125 kW，最大(dà)扭矩250 N·m）、電池和(hé / huò)燃油發動機等動力部件。

圖14 BMW i3車體上(shàng)部的(de)生命模塊

BMW公司通過與SGL汽車用碳纖維材料（SGL Automotive CarbonFibers）公司合作，曆經10多年研發，開始生産自己所需的(de)碳纖維。其BMWi3型車中生命模塊的(de)制造工藝：将碳纖維織成織物後浸潤于(yú)專用樹脂中，制成預浸料；将預浸料熱定型成剛性車身零件；采用專門開發的(de)技術，将車身零件全自動地(dì / de)黏合成完整的(de)車身部件（圖15）。所得CFRP車身具備極高的(de)抗壓強度，能承受更快的(de)加速度，整車的(de)敏捷性和(hé / huò)路感都非常好。

圖15  CFRP車體制造工藝（BMW公司）

其中，牽引挂車的(de)性能對實現“多拉少跑”的(de)目标關系重大(dà)，故沃爾瑪公司投入巨資開展“沃爾瑪先進車輛體驗（The Walmart AdvancedVehicle Experience）”的(de)新概念卡車研究計劃。已研制的(de)新概念卡車集成了(le／liǎo)空氣動力學、微型渦輪混合動力驅動系統、電氣化、先進控制系統，以(yǐ)及CFRP車體等前沿技術。主要(yào / yāo)技術創新：先進的(de)空氣動力學設計，整體造型優雅，氣動性能較現行的(de)Model 386型卡車提高20%；微型渦輪混合電力驅動系統清潔、高效、節油；司機座位設計于(yú)駕駛室中央，具有180°的(de)視野；電子(zǐ)儀表盤可提供定制化的(de)量程和(hé / huò)性能數據 ；滑動型車門和(hé / huò)折疊型台階提高了(le／liǎo)安全和(hé / huò)安保性能；空間寬敞的(de)駕駛室設有帶折疊床的(de)可伸縮卧室。牽引挂車的(de)整個(gè)車身采用CFRP制成，頂部和(hé / huò)側牆均采用16.2 m（53英尺）長的(de)單塊闆材，其優異的(de)力學性能可确保車體的(de)結構強度；采用先進黏結劑黏合，最大(dà)限度地(dì / de)減少了(le／liǎo)鉚釘數量；凸鼻形的(de)造型設計可在(zài)充分保證載貨容量的(de)前提下，有效提高氣動性能；低剖面LED燈光更節能、耐用（圖16）。

圖16 沃爾瑪公司研制的(de)新概念卡車

目前，該計劃已完成84%的(de)任務量，但仍有許多創新性技術有待繼續研發。可以(yǐ)預見，沃爾瑪公司的(de)新概念卡車對推進卡車技術的(de)進步和(hé / huò)拓展碳纖維的(de)應用，有非常大(dà)的(de)作用。

風能是(shì)最具成本優勢的(de)可再生能源，風能發電在(zài)近10年來(lái)已取得飛速發展。截至2016年5月，全球風電裝機容量已近4 270億MW（表1）。并據預測，2020年前，新增風電裝機能力将按25%的(de)年增長率遞增；到(dào)2020年，風力發電量将占世界總發電量的(de)11.81%。

爲(wéi / wèi)提高風力發電機的(de)風能轉換效率，增大(dà)單機容量和(hé / huò)減輕單位千瓦質量是(shì)關鍵。20世紀90年代初期，風電機組單機容量僅爲(wéi / wèi)500 kW，而(ér)如今，單機容量10 MW的(de)海上(shàng)風力發電機組都已産品化。風電葉片是(shì)風電機組中有效捕獲風能的(de)關鍵部件，葉片長度 随風電機組單機容量的(de)提高而(ér)不(bù)斷增長。根據頂旋理論，爲(wéi / wèi)獲得更大(dà)的(de)發電能力，風力發電機需安裝更大(dà)的(de)葉片。1990年，葉輪直徑（Rotor Diameter）爲(wéi / wèi)25 m；2010年，葉輪直徑已達120 m。2011年，Kaj Lindvig預測海上(shàng)風機的(de)葉輪直徑2015年将達135 m，2020年将達到(dào)160 m。但這(zhè)一(yī / yì ／yí)預測很快就(jiù)被突破，美國(guó)超導公司（AmericanSuperconductor Corp.）2016年已投入市場銷售的(de)10 MW海上(shàng)風力發電機的(de)葉輪直徑就(jiù)已達190 m。但因葉片長度的(de)問題，業界就(jiù)是(shì)否需發展10 MW及以(yǐ)上(shàng)能力的(de)風力發電機存有争議，但主流觀點是(shì)需要(yào / yāo)發展的(de)。西門子(zǐ)風電（Siemens Wind Power）公司首席技術官認爲(wéi / wèi)：面積與體積的(de)關系的(de)科學定律将最終限制葉輪直徑的(de)不(bù)斷增長，但目前還未達到(dào)極限，制造10 MW風力發電機在(zài)技術上(shàng)是(shì)可行的(de)；且從運營效益上(shàng)看，降低每兆瓦時(shí)的(de)運營成本，必須提高風力發電機的(de)容量（圖17）。

圖17 葉片直徑的(de)增長過程

葉輪直徑的(de)增加對葉片的(de)質量及抗拉強力提出(chū)了(le／liǎo)更輕、更高的(de)要(yào / yāo)求。CFRP是(shì)制造大(dà)型葉片的(de)關鍵材料，其可彌補玻璃纖維複合材料（GFRP）的(de)性能不(bù)足。但長期以(yǐ)來(lái)，出(chū)于(yú)成本因素，CFRP在(zài)葉片制造中隻被用于(yú)樑帽、葉根、葉尖和(hé / huò)蒙皮等關鍵部位。近年，随着碳纖維價格穩中有降，加之(zhī)葉片長度進一(yī / yì ／yí)步加長，CFRP的(de)應用部位增加，用量也(yě)有較大(dà)提升。2014年，中材科技風電葉片股份有限公司成功研制出(chū)國(guó)内最長的(de)6 MW風機葉片，該葉片全長77.7 m、質量28 t，其中主梁由5 t的(de)國(guó)産CFRP制成。如采用GFRP設計，則該葉片質量将約達36 t（圖18）。

圖18 6 MW風機葉片加工與試驗現場（中材科技風電葉片股份有限公司研制）

圖19 燃料電池與化石燃料發電利用率的(de)比較

各類燃料電池中，質子(zǐ)交換膜燃料電池（PEMFC）的(de)功率密度大(dà)、能量轉換率高、低溫啓動性最好，且體積小、便攜性好，是(shì)理想的(de)汽車用電源。質子(zǐ)交換膜燃料電池由陰極、電解質和(hé / huò)陽極這(zhè)3個(gè)主要(yào / yāo)部分組成，其工作原理：

（1）陰極将液氫分子(zǐ)電離。液氫流入陰極時(shí)，陰極上(shàng)的(de)催化劑層将液氫分子(zǐ)電離成質子(zǐ)（氫離子(zǐ)）和(hé / huò)電子(zǐ)。

（2）氫離子(zǐ)通過電解質。位于(yú)中央區域的(de)電解質允許質子(zǐ)通過到(dào)達陽極。

（3）電子(zǐ)通過外部電路。由于(yú)電子(zǐ)不(bù)能通過電解質，隻能通過外部電路，故而(ér)形成了(le／liǎo)電流。

（4）陽極将液氧電離。液氧通過陽極時(shí)，陽極上(shàng)的(de)催化劑層将液氧分子(zǐ)電離成氧離子(zǐ)和(hé / huò)電子(zǐ)，并與氫離子(zǐ)結合生成純水和(hé / huò)熱；陽極接受電離所産生的(de)電子(zǐ)（圖20）。可将多個(gè)質子(zǐ)交換膜燃料電池連接起來(lái)組成燃料電池組，可提高電能的(de)輸出(chū)量。

圖20  燃料電池工作機理

美國(guó)聯合技術（United Technologies）公司是(shì)全球軍民用燃料電池産品技術的(de)領先企業。聯合技術動力（UTC Power）公司原是(shì)United Technologies公司的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)業務部門，其産品廣泛用于(yú)航天器、潛艇、建築、公交巴士和(hé / huò)家用汽車等領域。20世紀90年代早期，UTC Power公司便已制造出(chū)大(dà)型固定式燃料電池電站，并投入商業化運行。此後10多年，UTC Power公司都在(zài)緻力于(yú)公交巴士和(hé / huò)家用汽車用燃料電池技術的(de)研發。2005年12月，UTC Power公司研制的(de)燃料電池在(zài)混合動力公交車上(shàng)投入使用，由千棕榈陽光車道(dào)運輸（SunLine Transit）公司在(zài)美國(guó)加利福尼亞州的(de)千棕榈鎮（Thousand Palms，CA）投入商業試運營。

2008年以(yǐ)來(lái)，由于(yú)突破了(le／liǎo)成本和(hé / huò)壽命等技術瓶頸，燃料電池的(de)商業化應用取得實質性進展。美國(guó)巴拉德動力公司（Ballard Power SystemsInc.）研制生産的(de)FCveloCity®型燃料電池，是(shì)專爲(wéi / wèi)公交巴士和(hé / huò)輕軌研制的(de)第七代可擴展式模塊化燃料電池，使用該燃料電池可組成30~200 kW的(de)電源。2015年6月上(shàng)市的(de)85 kW級的(de)FCveloCity®型燃料電池，主要(yào / yāo)用于(yú)電動公交巴士（圖21和(hé / huò)圖22）。

圖21 85 kW級的(de)FCveloCity®型燃料電池（巴拉德動力公司）

圖22 巴拉德動力公司生産的(de)模塊化燃料電池的(de)應用示例

碳纖維紙作爲(wéi / wèi)一(yī / yì ／yí)種高性能複合材料，是(shì)制造燃料電池質子(zǐ)交換膜電極中氣體擴散層必不(bù)可少的(de)多孔擴散材料（圖23）。氣體擴散層（GDL）構成氣體從流動槽擴散到(dào)催化劑層的(de)通道(dào)，是(shì)燃料電池的(de)心髒，是(shì)膜電極組（MEA）中非常重要(yào / yāo)的(de)支撐材料，其主要(yào / yāo)功能是(shì)作爲(wéi / wèi)連接膜電極組和(hé / huò)石墨闆的(de)橋梁。氣體擴散層可幫助催化劑層外部生成的(de)副産品——水盡快流走，避免積水造成溢流；還可幫助在(zài)膜的(de)表面保持一(yī / yì ／yí)定水份，确保膜的(de)導電率；燃料電池運行過程中，幫助維持熱傳導；此外，提供足夠的(de)力學強度，在(zài)吸水擴展時(shí)保持膜電極組的(de)結構穩定性（表2）。

圖23  燃料電池用碳纖紙、碳纖布和(hé / huò)碳纖闆（CE-Tech公司）

表2 CE-Tech公司生産的(de)燃料電池用部分碳纖維紙牌号及性能指标

在(zài)質子(zǐ)交換膜燃料電池和(hé / huò)直接甲醇燃料電池中，同時(shí)使用碳纖維紙和(hé / huò)碳纖維布作爲(wéi / wèi)氣體擴散層的(de)綜合效果更好。每輛燃料電池電動汽車約需消耗碳纖維紙100 m2（即8 kg）。

在(zài)2016年9月23-26日召開的(de)全球鐵路裝備交易會上(shàng)，法國(guó)阿爾斯通（Alstom）公司發布了(le／liǎo)其最新研制的(de)全球首輛液氫燃料電池電動火車。該車屬阿爾斯通公司Coradia iLint系列的(de)區域型列車，是(shì)根據2014年與德國(guó)下薩克森州（German Landers ofLower Saxony）、北萊茵威斯特伐利亞州（North Rhine-Westphalia）、巴登符騰堡州（Baden-Württemberg）及黑森州（Public TransportationAuthorities of Hesse）的(de)公共交通部門簽訂的(de)一(yī / yì ／yí)項内部意向而(ér)研發的(de)新一(yī / yì ／yí)代零排放燃料電池動力火車。最新發布的(de)液氫燃料電池電動火車全部采用成熟技術研制，車頂裝有氫燃料電池，乘客艙底部裝有锂電池、變流器和(hé / huò)電動機，它将開辟燃料電池更大(dà)的(de)應用市場空間，促進碳纖維紙技術的(de)進一(yī / yì ／yí)步發展（圖24）。

圖24 全球首創的(de)氫燃料電池動力火車（法國(guó)阿爾斯通公司）

增大(dà)架空線中傳輸的(de)電流會造成電纜發熱。若此時(shí)電纜材質耐熱性能差，則電纜的(de)承載力會下降，進而(ér)産生弧垂。而(ér)弧垂既是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)重要(yào / yāo)的(de)線損源，也(yě)是(shì)限制架空線提高傳輸容量的(de)主要(yào / yāo)因素。

鋼芯鋁導線中的(de)增強鋼芯受熱即産生弧垂，超過70℃時(shí)弧垂會使電纜嚴重下垂，更有可能與鄰近物體接觸導緻短路，甚至落至地(dì / de)面危及人(rén)員生命于(yú)安全。由弧垂引發的(de)短路會使鄰近的(de)架空線和(hé / huò)變壓器瞬間過載，引起災難性故障。自承式鋁絞線雖能允許短暫的(de)、較高的(de)運行溫度（150℃），但也(yě)無法避免弧垂的(de)産生。

複合材料芯材鋁導線（ACCC）以(yǐ)複合材料芯材替代金屬芯材，爲(wéi / wèi)解決架空線弧垂問題開辟了(le／liǎo)更有效的(de)技術途徑。2002年，基于(yú)ACCC專利技術，全球供配電設備技術領先企業——美國(guó)CTC公司（CTC Global）展開了(le／liǎo)産品的(de)研發，以(yǐ)期将其投入使用。當時(shí)的(de)開發目标是(shì)，在(zài)不(bù)對現有架空線承載塔架做任何變動且不(bù)增加現行導線質量或直徑的(de)前提下，開發CFRP芯材來(lái)承載鋁導線，以(yǐ)降低熱弧垂、增大(dà)塔架距離、承載更大(dà)電流、減少線損、提高供電網絡可靠性等。2005年，該公司首次推出(chū)商業化的(de)ACCC導線産品，其研制生産的(de)CFRP芯鋁導線的(de)強度是(shì)同等質量鋼芯鋁導線的(de)2倍、傳輸的(de)電流容量是(shì)其他(tā)芯材鋁導線的(de)2倍、線損較其他(tā)芯材鋁導線降低了(le／liǎo)25%~40%，其高容、高效和(hé / huò)低弧垂等性能遠遠超越了(le／liǎo)其他(tā)材質芯材鋁導線。

圖25爲(wéi / wèi)相同直徑鋁導線的(de)截面對比，其中，鋼芯的(de)直徑明顯大(dà)于(yú)CFRP芯的(de)直徑，這(zhè)使得CFRP芯鋁導線可多容納28%的(de)鋁導線，從而(ér)增大(dà)了(le／liǎo)電流的(de)通過能力。

圖25 鋼芯鋁導線和(hé / huò)CFRP芯鋁導線的(de)截面對比

20世紀40年代，美國(guó)開始武器系統用複合材料增強高壓容器的(de)研究。1946年，美國(guó)研制出(chū)纖維纏繞壓力容器；20世紀60年代，又在(zài)北極星和(hé / huò)土星等型号的(de)固體火箭發動機殼體上(shàng)采用纖維纏繞技術，實現了(le／liǎo)結構的(de)輕質高強。1975年，美國(guó)開始研制輕質複合材料高壓氣瓶，采用S-玻纖/環氧、對位芳綸/環氧纏繞技術，制造複合材料增強壓力容器。

後來(lái)，科學家們紛紛研制出(chū)由玻纖、碳化矽纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸和(hé / huò)PBO纖維等增強的(de)多種先進複合材料（表3）。其中，對位芳綸曾大(dà)量用于(yú)各種航空航天器用壓力容器的(de)纏繞增強，後逐漸被碳纖維所取代[30]37,[31]47。20世紀70年代，纖維纏繞金屬内襯輕質壓力容器被大(dà)量用于(yú)航天器和(hé / huò)武器的(de)動力系統中；20世紀80年代，碳纖維增強無縫鋁合金内襯複合壓力容器出(chū)現，其使壓力容器的(de)制造費用更低、質量更輕、可靠性更高。複合材料增強壓力容器具有破裂前先洩漏的(de)疲勞失效模式，提高了(le／liǎo)安全性。因此，全纏繞複合材料高壓容器已在(zài)衛星、運載火箭和(hé / huò)導彈等航天器中廣泛使用。阿波羅（Appolo）登月飛船曾使用的(de)钛合金球形氦氣瓶，其容積92L、爆破壓力≥47MPa、質量26.8kg；而(ér)标準航空航天用鋼内襯複合氦氣瓶質量20.4kg，鋁内襯複合氦氣瓶質量11.4kg，無内襯複合氣瓶質量僅爲(wéi / wèi)6.8kg（相較于(yú)钛合金球形氦氣瓶質量減少了(le／liǎo)75%）。

高性能纖維（表3）是(shì)全纏繞纖維增強複合壓力容器的(de)主要(yào / yāo)增強體。通過對高性能纖維的(de)含量、張力、纏繞軌迹等進行設計和(hé / huò)控制，可充分發揮高性能纖維的(de)性能，确保複合壓力容器性能均一(yī / yì ／yí)、穩定，爆破壓力離散差小。車用高壓Ш型氫氣瓶（金屬内膽全纏繞）的(de)材料成本中，近70%爲(wéi / wèi)增強纖維，其餘約30%爲(wéi / wèi)内膽和(hé / huò)其他(tā)材料。

20世紀30年代，意大(dà)利率先将天然氣用做汽車燃料。早期車用氣均使用鋼質氣瓶，其厚重問題始終限制着鋼質氣瓶的(de)擴大(dà)應用。20世紀80年代初，玻璃纖維環向增強鋁（或鋼）内膽的(de)複合氣瓶誕生。由于(yú)環向增強複合氣瓶的(de)軸向強度欠佳，故其金屬内膽依然較厚。爲(wéi / wèi)解決此問題，同時(shí)對環向和(hé / huò)軸向進行增強的(de)全纏繞纖維增強複合氣瓶應運而(ér)生，其金屬内膽的(de)厚度大(dà)幅減薄，質量顯著減小。20世紀90年代，以(yǐ)塑料作爲(wéi / wèi)内膽的(de)複合氣瓶出(chū)現。新能源汽車領域，高壓氣瓶的(de)應用主要(yào / yāo)是(shì)燃料電池動力汽車用高壓儲氫氣瓶，其壓力已到(dào)達70 MPa。（圖26）

圖26 燃料電池電動汽車用CFRP增強液氫儲罐

天然鈾礦石的(de)主要(yào / yāo)成分是(shì)鈾238，其中鈾235僅占0.7%。工業上(shàng)，常采用氣體擴散法進行鈾濃縮，盡管該方法投資大(dà)、耗能高，但卻是(shì)目前唯一(yī / yì ／yí)可行的(de)方法。鈾235和(hé / huò)鈾238的(de)六氟化鈾氣态化合物，兩者質量相差不(bù)到(dào)百分之(zhī)一(yī / yì ／yí)。加壓分離時(shí)，這(zhè)不(bù)到(dào)百分之(zhī)一(yī / yì ／yí)的(de)質量差會促使鈾235的(de)六氟化鈾氣态化合物能以(yǐ)稍快的(de)速度通過多孔隔膜。每通過1次多孔隔膜，鈾235的(de)含量就(jiù)會稍有增加，但增量十分微小。因此，爲(wéi / wèi)獲得純鈾235 ，需讓六氟化鈾氣體數千次地(dì / de)通過多孔隔膜。工業加工就(jiù)是(shì)讓六氟化鈾氣體反複地(dì / de)通過級聯的(de)多台離心機，實現對鈾235的(de)濃縮（圖27）。

圖27 鈾濃縮氣體離心機的(de)工作原理及現場圖

鈾濃縮氣體離心機技術是(shì)核燃料生産的(de)關鍵，是(shì)衡量核技術水平的(de)重要(yào / yāo)标志。鈾濃縮氣體離心機具有高真空、高轉速、強腐蝕、高馬赫數、長壽命、不(bù)可維修等特點，其研制涉及機械、電氣、力學、材料學、空氣動力學、流體力學、計算機應用等多學科的(de)理論和(hé / huò)技術，難度非常大(dà)[32]。離心機中轉子(zǐ)的(de)轉速與氣體分離效率直接相關。轉子(zǐ)轉速越高，氣體分離效率也(yě)越高。因此，确保轉子(zǐ)轉速在(zài)60000r/min以(yǐ)上(shàng)，是(shì)鈾濃縮氣體離心機最基本的(de)性能要(yào / yāo)求。而(ér)這(zhè)麽高的(de)轉速便對轉子(zǐ)的(de)材質提出(chū)了(le／liǎo)非常苛刻的(de)要(yào / yāo)求。金屬材質的(de)轉子(zǐ)根本無法達到(dào)如此高的(de)轉速，因爲(wéi / wèi)它無法跨越共振頻率，金屬材質的(de)轉子(zǐ)一(yī / yì ／yí)旦達到(dào)共振頻率便會碎裂；而(ér)CFRP制成的(de)轉子(zǐ)則不(bù)存在(zài)這(zhè)一(yī / yì ／yí)問題，其可耐受更高的(de)轉速。因此，早在(zài)20世紀80年代，CFRP就(jiù)已被用于(yú)制造鈾濃縮氣體離心機的(de)高速轉子(zǐ)。且随着CFRP技術的(de)進步，CFRP制成的(de)轉子(zǐ)可耐受更高的(de)轉速，鈾濃縮效率大(dà)幅提升。

鑒于(yú)CFRP高速轉子(zǐ)在(zài)鈾濃縮生産中的(de)重要(yào / yāo)作用，西方國(guó)家一(yī / yì ／yí)直對非核國(guó)家禁運氣體離心機用CFRP高速轉子(zǐ)。1992年11月9日，美國(guó)《核燃料》雜志報道(dào)，歐洲鈾濃縮公司（Urenco）的(de)股東——奧格斯堡-紐倫堡機器制造公司（MaschinenfabrikAugsburg-Nurnberg AG）的(de)前員工Kar1 HeinzSchaap，與妻子(zǐ)共同經營了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)家名爲(wéi / wèi)Ro-Shc的(de)公司。這(zhè)對夫妻通過Ro-Shc公司向伊拉克出(chū)售了(le／liǎo)至少20個(gè)CFRP離心機轉子(zǐ)。1992年11月2日，奧格斯堡（Augsburg）聯邦檢察官向Kar1 HeinzSchaap發出(chū)了(le／liǎo)逮捕令。此事，進一(yī / yì ／yí)步印證了(le／liǎo)CFRP在(zài)鈾濃縮氣體離心機技術中的(de)重要(yào / yāo)性。

與壓力容器長時(shí)間持續耐壓不(bù)同，槍管、炮管、液壓作動筒等特種管筒需在(zài)較長時(shí)間内高頻次地(dì / de)承受和(hé / huò)釋放高壓。由碳纖維纏繞或預浸料包覆增強的(de)此類特殊用途的(de)承壓管筒，在(zài)減輕自身質量、改進散熱、提高精度、延長壽命等方面效果非常明顯。

美國(guó)普魯夫實驗公司（PROOF Research）是(shì)一(yī / yì ／yí)家總部位于(yú)美國(guó)蒙大(dà)拿州的(de)科技企業，該公司研發了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)款CFRP增強槍管。其将先進複合材料技術與熱-機械設計原理相融合，并采用了(le／liǎo)航空專用碳纖維和(hé / huò)航天高溫樹脂，研制出(chū)新一(yī / yì ／yí)代運動用和(hé / huò)軍用槍館。與鋼質槍管相比，CFRP增強槍管自身質量最高可減小64%，射擊精度可達比賽級要(yào / yāo)求。此外，該公司研制的(de)CFRP增強槍管在(zài)設計與制造工藝上(shàng)适應了(le／liǎo)碳纖維的(de)縱向（即沿槍管長度方向）熱擴散率特性，能更有效地(dì / de)通過槍管壁散熱，極大(dà)地(dì / de)提高熱擴散效率，且槍管能快速冷卻，并可在(zài)持續開火狀态下更長時(shí)間地(dì / de)保持射擊精确度，是(shì)被美國(guó)軍隊唯一(yī / yì ／yí)驗證過的(de)CFRP增強槍管（圖28）。

圖28 CFRP增強槍管（PROOF Research公司生産）

CFRP技術在(zài)槍管上(shàng)的(de)成功應用很快推廣到(dào)對各式炮管的(de)增強。同時(shí)，利用CFRP增強的(de)特種液壓作動筒也(yě)已面市。

但跨徑增大(dà)會使得懸索橋鋼質主纜的(de)強度利用率、經濟性和(hé / huò)抗風穩定性急劇降低。目前，在(zài)大(dà)跨度懸索橋中，高強鋼絲主纜自身質量占上(shàng)部結構恒載的(de)比例已達30%以(yǐ)上(shàng)，主纜應力中活載所占比例減小。如，跨度1991 m的(de)日本明石海峽大(dà)橋，鋼質主纜應力中活載所占比例僅約爲(wéi / wèi)8%。

此外，跨徑增大(dà)還會降低橋梁的(de)氣動穩定性。有研究表明，從氣動穩定性角度考慮，2000m的(de)跨徑是(shì)加勁梁斷面和(hé / huò)纜索系統懸索橋的(de)跨徑極限。而(ér)改善結構抗風性能需解決好提高結構整體剛度、控制結構振動特性和(hé / huò)改善斷面氣動特性等3個(gè)問題。大(dà)跨度懸索橋的(de)結構剛度取決于(yú)主纜的(de)力學性能。CFRP的(de)力學特性使得其成爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)大(dà)跨度懸索橋主纜的(de)優選材料。利用懸索橋非線性有限元專用軟件BNLAS，研究主跨3500m的(de)CFRP主纜懸索橋模型的(de)靜力學和(hé / huò)動力學性能最優結構體系，得出(chū)：CFRP主纜自身質量應力百分比大(dà)幅降低，活載應力百分比提高到(dào)13%（鋼主纜爲(wéi / wèi)7%），結構的(de)豎彎、橫彎及扭轉基頻大(dà)幅提高；CFRP主纜安全系數的(de)增加将提高結構的(de)豎向和(hé / huò)扭轉剛度；增大(dà)CFRP主纜的(de)彈性模量可大(dà)幅減小活載豎向撓度，提高豎彎和(hé / huò)扭轉基頻。

總之(zhī)，CFRP主纜可明顯提升大(dà)跨徑懸索橋的(de)整體性能（圖29）。

圖29 湖南矮寨特大(dà)跨度懸索橋鋼質主纜

此外，建築與民用工程領域是(shì)最早将碳纖維用于(yú)結構增強的(de)。通過在(zài)橋梁等建築物上(shàng)鋪覆碳纖維織物，可提高水泥結構體的(de)耐用性，以(yǐ)及水泥結構建築物的(de)抗震性能（圖30）。

圖30 CFRP在(zài)建築與民用工程中的(de)補強應用    

未來(lái)，CFRP很可能成爲(wéi / wèi)名副其實的(de)建築材料。世界各國(guó)都在(zài)加快技術開發，使CFRP能直接用作建築結構材料。如，利用CFRP的(de)導電性制作建築用電磁防護材料；在(zài)CFRP中嵌入傳感器制作智能建築材料，利用傳感器傳送的(de)數據實時(shí)掌握建築物結構可能受到(dào)的(de)損害。

圖31 CFRP在(zài)醫療器械中的(de)應用示例

由短切碳纖維與質量分數占10%~60%的(de)尼龍或聚碳酸酯模塑成型的(de)CFRP部件，質量輕、厚度薄、抗靜電、抗電磁，在(zài)電子(zǐ)信息産品如筆記本電腦、液晶投影儀、照相機、光學鏡頭和(hé / huò)大(dà)型液晶顯示闆等中應用廣泛。加之(zhī)CFRP具有優異的(de)抗撕裂性能，還可用于(yú)制造軸承、輥軸、管材等産品，其強度與鋼質産品相同，但質量可大(dà)幅降低（圖32）。

圖32 CFRP在(zài)工業設備部件中的(de)應用示例

随着工業自動化、智能的(de)提高，高效的(de)工業裝備将離不(bù)開碳纖維！

圖33 CFRP在(zài)體育休閑用品中的(de)應用示例

圖34 碳纖維作爲(wéi / wèi)時(shí)尚元素材料的(de)應用實例