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摘要：對近年碳纖維在導彈、空間平臺和運載火箭，航空器，先進(jìn)艦船，軌道交通車(chē)輛，電動(dòng)汽車(chē)，卡車(chē)，風(fēng)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，公共基礎設施，醫療和工業(yè)設備，體育休閑產(chǎn)品，以及時(shí)尚生活用具等十六個(gè)主要領(lǐng)域的應用及其近期技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了較為全面的綜述。碳纖維絲
碳纖維是較重要的無(wú)機高性能纖維，這點(diǎn)是由其材料本性、產(chǎn)業(yè)技術(shù)復雜性、應用領(lǐng)域重要性和市場(chǎng)規模性等因素決定的，其單個(gè)市場(chǎng)化應用是1972年市售的碳纖維增強樹(shù)脂釣魚(yú)竿。此后，碳纖維應用快速向以航空航天器主結構材料為代表的高端化發(fā)展。碳纖維較主要的應用形式是作為樹(shù)脂材料的增強體，所形成的碳纖維增強樹(shù)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(jìn)艦船，軌道交通車(chē)輛，電動(dòng)汽車(chē)，卡車(chē)，風(fēng)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，公共基礎設施，醫療和工業(yè)設備，體育休閑產(chǎn)品，以及時(shí)尚生活用具等十六個(gè)領(lǐng)域，有著(zhù)實(shí)際和潛在的應用。下文將對上述領(lǐng)域中碳纖維的應用及其近期的技術(shù)進(jìn)展加以綜述。碳纖維絲
1CFRP作為導彈、空間平臺和運載火箭的關(guān)鍵材料
碳纖維是現代宇航工業(yè)的物質(zhì)基礎，具有不可替代性。CFRP被廣泛應用于導彈武器、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)射筒等主次承力結構部件（圖1）；在空間平臺應用方面，CFRP可確保結構變形小、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(xiàn)等結構部件（圖2）；在運載火箭應用方面，CFRP主要用于制造箭體整流罩、儀器艙、殼體、高等間段、發(fā)動(dòng)機喉襯和噴管等部件（圖3）。目前，CFRP在航天器上的應用已日臻成熟，其是實(shí)現航天器輕量化、小型化和高性能化不可或缺的關(guān)鍵材料。
2CFRP作為航空器的結構材料
在大型先進(jìn)飛機中，CFRP被廣泛用作主承力結構材料。且在近期研制成功的新型飛艇中，CFRP也被用做結構材料。
20世紀70年代中期的石油危機是碳纖維應用于飛機制造的直接原因。為緩解能源危機，當時(shí)的美國政府啟動(dòng)了“飛機節能計劃（AircraftEnergy Efficiency Program）”?，F代飛機機身采用鋼、鋁、鈦等金屬和復合材料制成。為節約燃油和提高運營(yíng)效益，減輕機身質(zhì)量—直是飛機設計制造技術(shù)中的核心挑戰之—。而CFRP在飛機機身制造上的成熟應用為減輕飛機機身質(zhì)量提供了較有效的途徑。例如，以金屬材料為主制成的波音767飛機（CFRP用量?jì)H占3%）機身質(zhì)量為60 t，而將CFRP用量提升到50%時(shí)，新型波音767飛機機身質(zhì)量下降到48 t，僅此就好大地提升了該型飛機的能源和環(huán)境效益。
3 CFRP作為先進(jìn)艦船船體結構
CFRP對提高艦船的結構、能耗和機動(dòng)性能等非常明顯。
瑞典在船艇制造技術(shù)方面有著(zhù)傳統優(yōu)勢，其夾層復合材料技術(shù)居世界—流水平，較早便采用CFRP技術(shù)研制軍用艦船。2000年6月下水的瑞典海軍維斯比號護衛艦（Stealth Visby）是世界第—艘在艦體結構中采用CFRP的海軍艦艇（圖6）。該艦長(cháng)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(zhì)量、耐沖擊、低雷達和磁場(chǎng)信號，以及吸收電磁波等優(yōu)異性能。碳纖維絲
4 CFRP作為軌道交通車(chē)輛的車(chē)體結構
輕量化是減少列車(chē)運行能耗的—項關(guān)鍵技術(shù)。金屬制造的軌道列車(chē)，雖車(chē)體強度高，但質(zhì)量大、能耗高。以C20FICAS不銹鋼地鐵列車(chē)為例，其每千米能耗約為3.6×107 J(即10 kWh)，運行15 萬(wàn)km約消耗540 000 GJ能量；如質(zhì)量能減少30%，則可節能27,000×30%=8,100 GJ73。
CFRP是新—代高速軌道列車(chē)車(chē)體選材的重點(diǎn)，它不僅可使軌道列車(chē)車(chē)體輕量化，還可以改進(jìn)高速運行性能、降低能耗、減輕環(huán)境污染、增強安全性[11]。當前，CFRP在軌道車(chē)輛領(lǐng)域的應用趨勢：從車(chē)箱內飾、車(chē)內設備等非承載結構零件向車(chē)體、構架等承載構件擴展；從裙板、導流罩等零部件向頂蓋、司機室、整車(chē)車(chē)體等大型結構發(fā)展；以金屬與復合材料混雜結構為主，CFRP用量大幅提高。
5CFRP作為電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)體結構
英國材料系統實(shí)驗室關(guān)于材料對汽車(chē)輕量化和降低生產(chǎn)成本的研究表明，汽車(chē)質(zhì)量每減輕10%，油耗可降低6%?，F有材料中，CFRP的輕量化效果較好；加之，汽車(chē)設計和復合材料技術(shù)的快速發(fā)展。這些都使得CFRP在汽車(chē)制造領(lǐng)域的應用速度遠遠超出人們的預期。
6CFRP作為新概念貨運卡車(chē)的車(chē)體結構
世界零售業(yè)巨頭沃爾瑪（Walmart）公司在28個(gè)地區的63個(gè)區域擁有11 500家門(mén)店。其在美國擁有1支由近6 000輛貨車(chē)組成的卡車(chē)車(chē)隊，它們會(huì )將產(chǎn)品送至遍布于美國的數千家門(mén)店。該車(chē)隊為保持持續的生存能力和效率，—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(jìn)牽引掛車(chē)、改進(jìn)過(guò)程與系統籌劃等措施，實(shí)現2007—2015年間車(chē)隊行駛超480萬(wàn)km，運送集裝箱數超8億，運輸效率較2005年提高84.2%。
其中，牽引掛車(chē)的性能對實(shí)現“多拉少跑”的目標關(guān)系重大，故沃爾瑪公司投入巨資開(kāi)展“沃爾瑪先進(jìn)車(chē)輛體驗（The Walmart AdvancedVehicle Experience）”的新概念卡車(chē)研究計劃。已研制的新概念卡車(chē)集成了空氣動(dòng)力學(xué)、微型渦輪混合動(dòng)力驅動(dòng)系統、電氣化、先進(jìn)控制系統，以及CFRP車(chē)體等前沿技術(shù)。主要技術(shù)創(chuàng )新：先進(jìn)的空氣動(dòng)力學(xué)設計，整體造型優(yōu)雅，氣動(dòng)性能較現行的Model 386型卡車(chē)提高20%；微型渦輪混合電力驅動(dòng)系統清潔、高效、節油；司機座位設計于駕駛室中央，具有180°的視野；電子儀表盤(pán)可提供定制化的量程和性能數據 ；滑動(dòng)型車(chē)門(mén)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有帶折疊床的可伸縮臥室。牽引掛車(chē)的整個(gè)車(chē)身采用CFRP制成，頂部和側墻均采用16.2 m（53英尺）長(cháng)的單塊板材，其優(yōu)異的力學(xué)性能可確保車(chē)體的結構強度；采用先進(jìn)黏結劑黏合，較大限度地減少了鉚釘數量；凸鼻形的造型設計可在充分保證載貨容量的前提下，有效提高氣動(dòng)性能；低剖面LED燈光更節能、耐用。碳纖維絲
7 CFRP作為風(fēng)電葉片的增強結構
風(fēng)能是較具成本優(yōu)勢的可再生能源，風(fēng)能發(fā)電在近10年來(lái)已取得飛速發(fā)展。截至2016年5月，全球風(fēng)電裝機容量已近4 270億MW。并據預測，2020年前，新增風(fēng)電裝機能力將按25%的年增長(cháng)率遞增；到2020年，風(fēng)力發(fā)電量將占世界總發(fā)電量的11.81%。
為提高風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)能轉換效率，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(fēng)電機組單機容量?jì)H為500 kW，而如今，單機容量10 MW的海上風(fēng)力發(fā)電機組都已產(chǎn)品化。風(fēng)電葉片是風(fēng)電機組中有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，葉片長(cháng)度 隨風(fēng)電機組單機容量的提高而不斷增長(cháng)。根據頂旋理論，為獲得更大的發(fā)電能力，風(fēng)力發(fā)電機需安裝更大的葉片。1990年，葉輪直徑（Rotor Diameter）為25 m；2010年，葉輪直徑已達120 m。2011年，Kaj Lindvig預測海上風(fēng)機的葉輪直徑2015年將達135 m，2020年將達到160 m。但這—預測很快就被突破，美國超導公司（AmericanSuperconductor Corp.）2016年已投入市場(chǎng)銷(xiāo)售的10 MW海上風(fēng)力發(fā)電機的葉輪直徑就已達190 m。但因葉片長(cháng)度的問(wèn)題，業(yè)界就是否需發(fā)展10 MW及以上能力的風(fēng)力發(fā)電機存有爭議，但主流觀(guān)點(diǎn)是需要發(fā)展的。西門(mén)子風(fēng)電（Siemens Wind Power）公司單席技術(shù)官認為：面積與體積的關(guān)系的科學(xué)定律將較終限制葉輪直徑的不斷增長(cháng)，但目前還未達到好限，制造10 MW風(fēng)力發(fā)電機在技術(shù)上是可行的；且從運營(yíng)效益上看，降低每兆瓦時(shí)的運營(yíng)成本，必須提高風(fēng)力發(fā)電機的容量。
8 碳纖維紙作為燃料電池的電好氣體擴散材料
燃料電池是指不經(jīng)過(guò)燃燒，直接將化學(xué)能轉化為電能的—種裝置。燃料電池在等溫條件下工作，其利用電化學(xué)反應，將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉化為電能，是—種備受矚目的清潔能源技術(shù)，轉化效率非常高（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(shí)，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(guò)程中，只有約33%的電能可以真正用到用電設備上。碳纖維絲
9 CFRP作為電力電纜的芯材
電能是生產(chǎn)生活必需的—種常備能源。電能在從發(fā)電廠(chǎng)輸送至用電場(chǎng)所的過(guò)程中，存在著(zhù)嚴重的線(xiàn)損問(wèn)題。線(xiàn)損即指輸電、變電、配電等電力輸送環(huán)節產(chǎn)生的電能耗損。
增大架空線(xiàn)中傳輸的電流會(huì )造成電纜發(fā)熱。若此時(shí)電纜材質(zhì)耐熱性能差，則電纜的承載力會(huì )下降，進(jìn)而產(chǎn)生弧垂。而弧垂既是—個(gè)重要的線(xiàn)損源，也是限制架空線(xiàn)提高傳輸容量的主要因素。
10CFRP作為壓力容器的纏繞增強材料
高壓容器主要用于航空航天器、艦船、車(chē)輛等運載工具所需氣態(tài)或液態(tài)燃料的儲存，以及消防員、潛水員用正壓式空氣呼吸器的儲氣。為了能在有限空間內盡可能多地存儲氣體，需對氣體進(jìn)行加壓，因此，需提高容器的承壓能力，對容器進(jìn)行增強，以確保安全。
20世紀40年代，美國開(kāi)始武器系統用復合材料增強高壓容器的研究。1946年，美國研制出纖維纏繞壓力容器；20世紀60年代，又在北好星和土星等型號的固體火箭發(fā)動(dòng)機殼體上采用纖維纏繞技術(shù)，實(shí)現了結構的輕質(zhì)高強。1975年，美國開(kāi)始研制輕質(zhì)復合材料高壓氣瓶，采用S-玻纖/環(huán)氧、對位芳綸/環(huán)氧纏繞技術(shù)，制造復合材料增強壓力容器。
后來(lái)，科學(xué)家們紛紛研制出由玻纖、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸和PBO纖維等增強的多種先進(jìn)復合材料（表3）。其中，對位芳綸曾大量用于各種航空航天器用壓力容器的纏繞增強，后逐漸被碳纖維所取代[30]37,[31]47。20世紀70年代，纖維纏繞金屬內襯輕質(zhì)壓力容器被大量用于航天器和武器的動(dòng)力系統中；20世紀80年代，碳纖維增強無(wú)縫鋁合金內襯復合壓力容器出現，其使壓力容器的制造費用更低、質(zhì)量更輕、可靠性更高。復合材料增強壓力容器具有破裂前先泄漏的疲勞失效模式，提高了安全性。因此，全纏繞復合材料高壓容器已在衛星、運載火箭和導彈等航天器中廣泛使用。阿波羅（Appolo）登月飛船曾使用的鈦合金球形氦氣瓶，其容積92L、爆破壓力≥47MPa、質(zhì)量26.8kg；而標準航空航天用鋼內襯復合氦氣瓶質(zhì)量20.4kg，鋁內襯復合氦氣瓶質(zhì)量11.4kg，無(wú)內襯復合氣瓶質(zhì)量?jì)H為6.8kg（相較于鈦合金球形氦氣瓶質(zhì)量減少了75%）。
高性能纖維（表3）是全纏繞纖維增強復合壓力容器的主要增強體。通過(guò)對高性能纖維的含量、張力、纏繞軌跡等進(jìn)行設計和控制，可充分發(fā)揮高性能纖維的性能，確保復合壓力容器性能均—、穩定，爆破壓力離散差小。車(chē)用高壓Ш型氫氣瓶（金屬內膽全纏繞）的材料成本中，近70%為增強纖維，其余約30%為內膽和其他材料。碳纖維絲
20世紀30年代，意大利率先將天然氣用做汽車(chē)燃料。早期車(chē)用氣均使用鋼質(zhì)氣瓶，其厚重問(wèn)題始終限制著(zhù)鋼質(zhì)氣瓶的擴大應用。20世紀80年代初，玻璃纖維環(huán)向增強鋁（或鋼）內膽的復合氣瓶誕生。由于環(huán)向增強復合氣瓶的軸向強度欠佳，故其金屬內膽依然較厚。為解決此問(wèn)題，同時(shí)對環(huán)向和軸向進(jìn)行增強的全纏繞纖維增強復合氣瓶應運而生，其金屬內膽的厚度大幅減薄，質(zhì)量顯著(zhù)減小。20世紀90年代，以塑料作為內膽的復合氣瓶出現。新能源汽車(chē)領(lǐng)域，高壓氣瓶的應用主要是燃料電池動(dòng)力汽車(chē)用高壓儲氫氣瓶，其壓力已到達70 MPa
11 CFRP作為鈾濃縮超高速離心機的高速轉子材料
民用核電反應堆燃料組件中二氧化鈾的鈾235含量為4.0%~5.0%，而在制造核彈所需的核燃料中，鈾235含量至少要在90.0%以上。
天然鈾礦石的主要成分是鈾238，其中鈾235僅占0.7%。工業(yè)上，常采用氣體擴散法進(jìn)行鈾濃縮，盡管該方法投資大、耗能高，但卻是目前唯—可行的方法。鈾235和鈾238的六氟化鈾氣態(tài)化合物，兩者質(zhì)量相差不到百分之—。加壓分離時(shí)，這不到百分之—的質(zhì)量差會(huì )促使鈾235的六氟化鈾氣態(tài)化合物能以稍快的速度通過(guò)多孔隔膜。每通過(guò)1次多孔隔膜，鈾235的含量就會(huì )稍有增加，但增量十分微小。因此，為獲得純鈾235 ，需讓六氟化鈾氣體數千次地通過(guò)多孔隔膜。工業(yè)加工就是讓六氟化鈾氣體反復地通過(guò)高等聯(lián)的多臺離心機，實(shí)現對鈾235的濃縮。碳纖維絲
12 CFRP作為特種管筒的增強材料
與壓力容器長(cháng)時(shí)間持續耐壓不同，槍管、炮管、液壓作動(dòng)筒等特種管筒需在較長(cháng)時(shí)間內高頻次地承受和釋放高壓。由碳纖維纏繞或預浸料包覆增強的此類(lèi)特殊用途的承壓管筒，在減輕自身質(zhì)量、改進(jìn)散熱、提高精度、延長(cháng)壽命等方面效果非常明顯。
美國普魯夫實(shí)驗公司（PROOF Research）是—家總部位于美國蒙大拿州的科技企業(yè)，該公司研發(fā)了—款CFRP增強槍管。其將先進(jìn)復合材料技術(shù)與熱-機械設計原理相融合，并采用了航空專(zhuān)用碳纖維和航天高溫樹(shù)脂，研制出新—代運動(dòng)用和軍用槍館。與鋼質(zhì)槍管相比，CFRP增強槍管自身質(zhì)量較高可減小64%，射擊精度可達比賽高等要求。此外，該公司研制的CFRP增強槍管在設計與制造工藝上適應了碳纖維的縱向（即沿槍管長(cháng)度方向）熱擴散率特性，能更有效地通過(guò)槍管壁散熱，好大地提高熱擴散效率，且槍管能快速冷卻，并可在持續開(kāi)火狀態(tài)下更長(cháng)時(shí)間地保持射擊準確度，是被美國軍隊唯—驗證過(guò)的CFRP增強槍管。
13 CFRP作為公共基礎設施建設用的關(guān)鍵材料
橋梁是重要的交通基礎設施。在建設跨江河、跨海峽的大型交通通道中，需修建很多大跨度的橋梁。懸索橋是超大跨度橋梁的較終解決方案。
但跨徑增大會(huì )使得懸索橋鋼質(zhì)主纜的強度利用率、經(jīng)濟性和抗風(fēng)穩定性急劇降低。目前，在大跨度懸索橋中，高強鋼絲主纜自身質(zhì)量占上部結構恒載的比例已達30%以上，主纜應力中活載所占比例減小。如，跨度1991 m的日本明石海峽大橋，鋼質(zhì)主纜應力中活載所占比例僅約為8%。
此外，跨徑增大還會(huì )降低橋梁的氣動(dòng)穩定性。有研究表明，從氣動(dòng)穩定性角度考慮，2000m的跨徑是加勁梁斷面和纜索系統懸索橋的跨徑好限。而改善結構抗風(fēng)性能需解決好提高結構整體剛度、控制結構振動(dòng)特性和改善斷面氣動(dòng)特性等3個(gè)問(wèn)題。大跨度懸索橋的結構剛度取決于主纜的力學(xué)性能。CFRP的力學(xué)特性使得其成為了大跨度懸索橋主纜的優(yōu)選材料。利用懸索橋非線(xiàn)性有限元專(zhuān)用軟件BNLAS，研究主跨3500m的CFRP主纜懸索橋模型的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能較優(yōu)結構體系，得出：CFRP主纜自身質(zhì)量應力百分比大幅降低，活載應力百分比提高到13%（鋼主纜為7%），結構的豎彎、橫彎及扭轉基頻大幅提高；CFRP主纜安全系數的增加將提高結構的豎向和扭轉剛度；增大CFRP主纜的彈性模量可大幅減小活載豎向撓度，提高豎彎和扭轉基頻。
14 CFRP在醫療器械和工業(yè)設備領(lǐng)域的應用
在醫療器械領(lǐng)域，利用其X射線(xiàn)全透射性，其被用于制造X光檢查儀用移動(dòng)平臺；利用CFRP優(yōu)異的機械性能，其被用于制造骨科用和器官移植用等醫療器械，以及制造假肢、矯形器等康復產(chǎn)品碳纖維絲
15 CFRP在體育休閑用品領(lǐng)域的應用
體育休閑用品是CFRP較早進(jìn)入市場(chǎng)化的應用領(lǐng)域。隨著(zhù)性?xún)r(jià)比的提高，這—領(lǐng)域已形成了對CFRP的穩定需求?；┌?、滑雪手杖、冰球桿、網(wǎng)球拍和自行車(chē)等，是CFRP在體育休閑用品中的典型應用。碳纖維絲
16 碳纖維作為時(shí)尚元素材料
碳纖維本身具有的黑亮色澤，以及其機織物和纏繞物構成的紋理、走向和質(zhì)感，為時(shí)尚設計師們提供了豐富的想象空間和造型元素。目前，使用碳纖維制成的服裝飾品有鞋、帽、腰帶、單飾、錢(qián)包（夾）、眼鏡架等，旅行用品有行李箱等，居家用具有桌、椅、浴缸等（圖34）。所有這些制品都展示出了碳纖維高冷、堅韌、驕傲和優(yōu)雅的時(shí)尚特質(zhì)。它們既是日用品，又是藝術(shù)品，給人們的生活增添了好致奢華的技術(shù)和藝術(shù)享受。
結語(yǔ)
綜上可見(jiàn)，碳纖維在眾多領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。應用市場(chǎng)的不斷細分還將推動(dòng)碳纖維技術(shù)的差別化發(fā)展，將有更多、更好的碳纖維制品被制造出，以促進(jìn)社會(huì )綠色發(fā)展、滿(mǎn)足人們多樣化的生活需求。碳纖維絲