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碳纤维的十六个主要应用领域

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-01-16  来源:复材应用技术网  浏览次数:407
核心提示:碳纤维在导弹、空间平台和运载火箭,航空器,先进舰船,轨道交通车辆,电动汽车,卡车,风电叶片,燃料电池,电力电缆,压力容器,铀浓缩超高速离心机,特种管筒,公共基础设施,医疗和工业设备,体育休闲产品,以及时尚生活用具等十六个领域,有着实际和潜在的应用。
       碳纤维是最重要的无机高性能纤维,这点是由其材料本性、产业技术复杂性、应用领域重要性和市场规模性等因素决定的,其首个市场化应用是1972年市售的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后,碳纤维应用快速向以航空航天器主结构材料为代表的高端化发展。碳纤维最主要的应用形式是作为树脂材料的增强体,所形成的碳纤维增强树脂(CFRP)具有优异的综合性能,其在导弹、空间平台和运载火箭,航空器,先进舰船,轨道交通车辆,电动汽车,卡车,风电叶片,燃料电池,电力电缆,压力容器,铀浓缩超高速离心机,特种管筒,公共基础设施,医疗和工业设备,体育休闲产品,以及时尚生活用具等十六个领域,有着实际和潜在的应用。下文将对上述领域中碳纤维的应用及其近期的技术进展加以综述。 

1CFRP作为导弹、空间平台和运载火箭的关键材料

碳纤维是现代宇航工业的物质基础,具有不可替代性。CFRP被广泛应用于导弹武器、空间平台和运载火箭等航天领域。在导弹武器应用方面,CFRP主要用于制造弹体整流罩、复合支架、仪器舱、诱饵舱和发射筒等主次承力结构部件(图1);在空间平台应用方面,CFRP可确保结构变形小、承载力好、抗辐射、耐老化和空间环境耐受性良好,主要用于制造卫星和空间站的承力筒、蜂窝面板、基板、相机镜筒和抛物面天线等结构部件(图2);在运载火箭应用方面,CFRP主要用于制造箭体整流罩、仪器舱、壳体、级间段、发动机喉衬和喷管等部件(图3)。目前,CFRP在航天器上的应用已日臻成熟,其是实现航天器轻量化、小型化和高性能化不可或缺的关键材料。

2CFRP作为航空器的结构材料

在大型先进飞机中,CFRP被广泛用作主承力结构材料。且在近期研制成功的新型飞艇中,CFRP也被用做结构材料。 

20世纪70年代中期的石油危机是碳纤维应用于飞机制造的直接原因。为缓解能源危机,当时的美国政府启动了“飞机节能计划(AircraftEnergy Efficiency Program)”。现代飞机机身采用钢、铝、钛等金属和复合材料制成。为节约燃油和提高运营效益,减轻机身质量一直是飞机设计制造技术中的核心挑战之一。而CFRP在飞机机身制造上的成熟应用为减轻飞机机身质量提供了最有效的途径。例如,以金属材料为主制成的波音767飞机(CFRP用量仅占3%)机身质量为60 t,而将CFRP用量提升到50%时,新型波音767飞机机身质量下降到48 t,仅此就极大地提升了该型飞机的能源和环境效益。

正在研制的波音777X型飞机(图4)和最新投产的波音787型飞机,机身复合材料的用量都达到了50%[5]。波音777X型飞机是波音公司以波音777飞机为基型,正在开发的一种大型双引擎客机,计划首架飞机于2020年交付投入运营。波音777X飞机的主翼由CFRP制成,其翼展长约72m(235英尺),是目前客机中翼展最长的机型之一。翼展越长,升力越大,因此,波音777X的单座燃油消耗和运营成本都非常有竞争力。此外,CFRP机翼不仅强度高、柔性好,且末端可折叠,这样多数机场都能满足其宽翼展的停机需求。波音787飞机的主翼和机身等主承力结构都采用日本东丽公司(Toray Industries, Inc.)TORAYCA®品牌的碳纤维预浸料制造。2005年11月,东丽公司与美国波音公司签署了一项为期10年的协议,为波音787梦想号(Boeing 787 Dreamliner)飞机提供碳纤维预浸料。2015年11月9日,东丽公司宣布与美国波音公司达成综合协议,将为波音公司生产的787和777X两型飞机提供价值约110亿美元的碳纤维预浸料。波音公司计划提高787飞机的月产量,将从2015年的10架提高到2016年的12架、2020年的14架;同时,大型模块的比率也将提高,这将极大地促进对CFRP的需求。为保证波音787飞机月产量达12架后的材料供应,位于美国华盛顿州塔科马市(Tacoma,Washington)的东丽复合材料(美国)公司[Toray Composites(America),Inc.]已于2016年1月完成了扩产;同时,日本东丽公司决定投资约4.7亿美元,在其收购的斯帕坦堡县(Spartanburg County,South Carolina)厂区内建设包含原丝、碳纤维和预浸料在内的一体化生产线,设计年产能为2 000 t,这是东丽公司首次在美国建设一体化的碳纤维生产线,以用于研发波音777X飞机和满足月产14架波音787飞机的需求。

2016年8月17日,英国最新研制的“空中之恋10号(Airlander 10)”大型飞艇完成了其处女航(图5)。这架飞艇是一种轻于空气的航天器,被设计用来执行侦察、监视、通信、货物与救援物资的运输,以及乘客交通等。该飞艇采用日本可乐丽(Kuraray)公司生产的聚芳酯(Vectran)织物作蒙皮,蒙皮内充满了带压氦气;其形状结构材料采用CFRP,最大化地减轻了飞艇自身质量。无人值守的情况下,该飞艇一次可最长在空中漂浮5天。

3 CFRP作为先进舰船船体结构

CFRP对提高舰船的结构、能耗和机动性能等非常明显。

瑞典在船艇制造技术方面有着传统优势,其夹层复合材料技术居世界一流水平,较早便采用CFRP技术研制军用舰船。2000年6月下水的瑞典海军维斯比号护卫舰(Stealth Visby)是世界第一艘在舰体结构中采用CFRP的海军舰艇(图6)。该舰长73.0 m、宽10.4 m、吃水深度2.4 m、排水量600 t;舰体采用CFRP夹层结构,具有高强度、高硬度、低质量、耐冲击、低雷达和磁场信号,以及吸收电磁波等优异性能。

由于成本原因,虽船舶中大量使用CFRP还有待时日,但其已实际用于制造民用新概念船艇和军用舰船关键部件。2010年,德国Kockums公司为瑞典探险家制造了一条几乎全部采用CFRP的新概念太阳能探险船——TuANor PlanetSolar。该船长31.0 m、宽15.0 m,以太阳能为动力。2010年9月27日,瑞典探险家Raphael Domjan驾驶该船出海,开始环球探险航行(图7)。

CFRP还已用于舰船推进器叶片、一体化桅杆和先进水面舰艇上层建筑的制造。

低噪声、安静运行是军用舰船领域的一项核心技术,是舰船(特别是潜艇)性能的关键指标。因为螺旋桨高速运转时,其桨叶片上会产生时灭的空泡,导致桨叶剥蚀,并伴有强烈的振动和噪声。CFRP叶片不仅更轻、更薄,还可改善空泡性能、降低振动和水下特性、减少燃油消耗。图8(a)为以色列Deadliest号潜艇所用螺旋桨;图8(b)为日本中岛推进器有限责任公司(Nakashima PropellerCo., Ltd.)研制生产的CFRP大型货轮螺旋桨,它已于2014年5月安装在太鼓丸号(Taiko Maru)化学品货轮上。图9为英国罗伊斯罗尔斯公司(Rolls-Royce plc)为班尼蒂(Benetti)游艇生产的CFRP材质的推进器系统。

此外,隐身也是评价军用舰船先进性水平的一项重要指标。提高隐身性能必须减小舰船体的雷达反射截面,并降低其光学特性。在过去,舰船上层建筑上都竖立着多根挂满各种鞭状和条状的天线桅杆,它们极大地阻碍了舰船在探测设备中的隐身能力。1995年,美军开始研究一体式桅杆系统,其将各种天线设计成平面形或球形阵列,并集成于采用能反射电波的复合材料制成的一体式桅杆系统中,可防风雨和盐雾的侵害。且更进一步的是,美军下一代作战舰艇的整个上层建筑都采用复合材料制造。2016年10月15日,美国海军举行了其首艘朱姆沃尔特级驱逐舰(Zumwalt-classdestroyer)的入列仪式。该舰是美国海军的下一代主战舰艇,其集成了当今最尖端的海军舰船技术,舰体造型、电驱动力、指挥控制、情报通信、隐身防护、侦测导航、火力配置等性能均具超越性。特别值得注意的是,该舰上层建筑及内嵌天线系统由美国雷神公司(Raytheon)负责设计制造,采用了一体化模块式复合材料结构(Integrated CompositeDeckhouse and Assembly,简称IDHA),质量轻、强度高、耐锈蚀、透波性好,具有极佳的隐身性能,被发现概率低于10%(图10)。

4 CFRP作为轨道交通车辆的车体结构

轻量化是减少列车运行能耗的一项关键技术。金属制造的轨道列车,虽车体强度高,但质量大、能耗高。以C20FICAS不锈钢地铁列车为例,其每千米能耗约为3.6×107 J(即10 kWh),运行15 万km约消耗540 000 GJ能量;如质量能减少30%,则可节能27,000×30%=8,100 GJ73。

CFRP是新一代高速轨道列车车体选材的重点,它不仅可使轨道列车车体轻量化,还可以改进高速运行性能、降低能耗、减轻环境污染、增强安全性[11]。当前,CFRP在轨道车辆领域的应用趋势:从车箱内饰、车内设备等非承载结构零件向车体、构架等承载构件扩展;从裙板、导流罩等零部件向顶盖、司机室、整车车体等大型结构发展;以金属与复合材料混杂结构为主,CFRP用量大幅提高。

图11列出了1节地铁列车中间车辆各部分的质量比例,其中车身质量约占36%、车载设备约占29%、内部装饰约占16%[10]73 。由于车载设备几乎没有减重空间,因此,车身和内部装饰就成为了轻量化的重点对象。2000年,法国国营铁路公司(SNCF)采用碳纤维复合材料研制出双层 TGV型挂车;韩国铁道科学研究院(KRRI)以此为基础,研制出运行速度为180 km/h 的TTX型摆式列车车体,其采用不锈钢增强骨架,侧墙体和顶盖采用铝蜂窝夹芯,蒙皮采用CFRP构成的三明治结构,车体外壳总质量比铝合金结构降低了40%,且车体强度、疲劳强度、防火安全性、动态特性等性能良好,并于2010年投入商业化运营。

2011年,韩国铁道科学研究院(KRRI)研制出CFRP地铁转向架构架,质量为 635 kg,比钢质构架的质量减少约30%。日本铁道综合技术研究所(JRTI)与东日本客运铁道公司(East Japan RailwayCompany)联合研制的CFRP高速列车车顶,使每节车箱减轻300~500 kg。2014 年9月,日本川崎重工(Kawasaki)研制的 CFRP 构架边梁,其质量比金属梁减少约40%。

5CFRP作为电动汽车的车体结构

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;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BMWi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 EfficientDynamics)”,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BMWi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BMWi3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BMWi8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 FutureInteraction)概念车(图13);同时推出BMWi3(94Ah)型新车,该车整车质量仅1 245kg,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。

其中,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)模块两部分组成。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、均称。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。

BMW公司通过与SGL汽车用碳纤维材料(SGL Automotive CarbonFibers)公司合作,历经10多年研发,开始生产自己所需的碳纤维。其BMWi3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。

6CFRP作为新概念货运卡车的车体结构

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,它们会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年间车队行驶超480万km,运送集装箱数超8亿,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 AdvancedVehicle 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16.2 m(53英尺)长的单块板材,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。

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

风能是最具成本优势的可再生能源,风能发电在近10年来已取得飞速发展。截至2016年5月,全球风电装机容量已近4 270亿MW(表1)。并据预测,2020年前,新增风电装机能力将按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%。

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。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。1990年,叶轮直径(Rotor Diameter)为25 m;2010年,叶轮直径已达120 m。2011年,Kaj Lindvig预测海上风机的叶轮直径2015年将达135 m,2020年将达到160 m。但这一预测很快就被突破,美国超导公司(AmericanSuperconductor Corp.)2016年已投入市场销售的10 MW海上风力发电机的叶轮直径就已达190 m。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(图17)。

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加长,CFRP的应用部位增加,用量也有较大提升。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,该叶片全长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)。

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技术,转化效率非常高(除10%的能量以废热形式浪费外,其余的90%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分配过程中,只有约33%的电能可以真正用到用电设备上(图19)。

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、电解质和阳极这3个主要部分组成,其工作原理:

(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)氢离子通过电解质。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,可提高电能的输出量。

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。

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。美国巴拉德动力公司(Ballard Power SystemsInc.)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。

碳纤维纸作为一种高性能复合材料,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份,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)。

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)。

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 ofLower 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 TransportationAuthorities 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,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)。 

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。电能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。

增大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,则电缆的承载力会下降,进而产生弧垂。而弧垂既是一个重要的线损源,也是限制架空线提高传输容量的主要因素。

钢芯铝导线中的增强钢芯受热即产生弧垂,超过70℃时弧垂会使电缆严重下垂,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于安全。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℃),但也无法避免弧垂的产生。

复合材料芯材铝导线(ACCC)以复合材料芯材替代金属芯材,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公司(CTC Global)展开了产品的研发,以期将其投入使用。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质量或直径的前提下,开发CFRP芯材来承载铝导线,以降低热弧垂、增大塔架距离、承载更大电流、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导线产品,其研制生产的CFRP芯铝导线的强度是同等质量钢芯铝导线的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远超越了其他材质芯材铝导线。

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芯铝导线可多容纳28%的铝导线,从而增大了电流的通过能力。 

10CFRP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的储气。为了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,需提高容器的承压能力,对容器进行增强,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,又在北极星和土星等型号的固体火箭发动机壳体上采用纤维缠绕技术,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纤、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复合压力容器出现,其使压力容器的制造费用更低、质量更轻、可靠性更高。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92L、爆破压力≥47MPa、质量26.8kg;而标准航空航天用钢内衬复合氦气瓶质量20.4kg,铝内衬复合氦气瓶质量11.4kg,无内衬复合气瓶质量仅为6.8kg(相较于钛合金球形氦气瓶质量减少了75%)。

高性能纤维(表3)是全缠绕纤维增强复合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,确保复合压力容器性能均一、稳定,爆破压力离散差小。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。

20世纪30年代,意大利率先将天然气用做汽车燃料。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,其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。新能源汽车领域,高压气瓶的应用主要是燃料电池动力汽车用高压储氢气瓶,其压力已到达70 MPa。

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的铀235含量为4.0%~5.0%,而在制造核弹所需的核燃料中,铀235含量至少要在90.0%以上。

天然铀矿石的主要成分是铀238,其中铀235仅占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,两者质量相差不到百分之一。加压分离时,这不到百分之一的质量差会促使铀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,为获得纯铀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。

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60000r/min以上,是铀浓缩气体离心机最基本的性能要求。而这么高的转速便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制成的转子则不存在这一问题,其可耐受更高的转速。因此,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制成的转子可耐受更高的转速,铀浓缩效率大幅提升。

鉴于CFRP高速转子在铀浓缩生产中的重要作用,西方国家一直对非核国家禁运气体离心机用CFRP高速转子。1992年11月9日,美国《核燃料》杂志报道,欧洲铀浓缩公司(Urenco)的股东——奥格斯堡-纽伦堡机器制造公司(MaschinenfabrikAugsburg-Nurnberg AG)的前员工Kar1 HeinzSchaap,与妻子共同经营了一家名为Ro-Shc的公司。这对夫妻通过Ro-Shc公司向伊拉克出售了至少20个CFRP离心机转子。1992年11月2日,奥格斯堡(Augsburg)联邦检察官向Kar1 HeinzSchaap发出了逮捕令。此事,进一步印证了CFRP在铀浓缩气体离心机技术中的重要性。

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。

美国普鲁夫实验公司(PROOF Research)是一家总部位于美国蒙大拿州的科技企业,该公司研发了一款CFRP增强枪管。其将先进复合材料技术与热-机械设计原理相融合,并采用了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枪馆。与钢质枪管相比,CFRP增强枪管自身质量最高可减小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(即沿枪管长度方向)热扩散率特性,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。

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。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,需修建很多大跨度的桥梁。悬索桥是超大跨度桥梁的最终解决方案。

但跨径增大会使得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1991 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,2000m的跨径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3500m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、横弯及扭转基频大幅提高;CFRP主缆安全系数的增加将提高结构的竖向和扭转刚度;增大CFRP主缆的弹性模量可大幅减小活载竖向挠度,提高竖弯和扭转基频。

总之,CFRP主缆可明显提升大跨径悬索桥的整体性能。

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。

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。 

14 CFRP在医疗器械和工业设备领域的应用

在医疗器械领域,利用其X射线全透射性,其被用于制造X光检查仪用移动平台;利用CFRP优异的机械性能,其被用于制造骨科用和器官移植用等医疗器械,以及制造假肢、矫形器等康复产品。

由短切碳纤维与质量分数占10%~60%的尼龙或聚碳酸酯模塑成型的CFRP部件,质量轻、厚度薄、抗静电、抗电磁,在电子信息产品如笔记本电脑、液晶投影仪、照相机、光学镜头和大型液晶显示板等中应用广泛。加之CFRP具有优异的抗撕裂性能,还可用于制造轴承、辊轴、管材等产品,其强度与钢质产品相同,但质量可大幅降低。 

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,是CFRP在体育休闲用品中的典型应用(图33)。

16 碳纤维作为时尚元素材料

碳纤维本身具有的黑亮色泽,以及其机织物和缠绕物构成的纹理、走向和质感,为时尚设计师们提供了丰富的想象空间和造型元素。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34)。所有这些制品都展示出了碳纤维高冷、坚韧、骄傲和优雅的时尚特质。它们既是日用品,又是艺术品,给人们的生活增添了极致奢华的技术和艺术享受。

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还将推动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,以促进社会绿色发展、满足人们多样化的生活需求。

 
 
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