【復材資訊】碳纖維複合材料的十六個主要應用領域及技術進展(下)

09 CFRP作為電力電纜的芯材

電能是生產生活必需的一種常備能源。電能在從發電廠輸送至用電場所的過程中，存在著嚴重的線損問題。線損即指輸電、變電、配電等電力輸送環節產生的電能耗損。

增大架空線中傳輸的電流會造成電纜發熱。若此時電纜材質耐熱性能差，則電纜的承載力會下降，進而產生弧垂。而弧垂既是一個重要的線損源，也是限制架空線提高傳輸容量的主要因素。

鋼芯鋁導線中的增強鋼芯受熱即產生弧垂，超過70℃時弧垂會使電纜嚴重下垂，更有可能與鄰近物體接觸導致短路，甚至落至地面危及人員生命於安全。由弧垂引發的短路會使鄰近的架空線和變壓器瞬間過載，引起災難性故障。自承式鋁絞線雖能允許短暫的、較高的運行溫度（150℃），但也無法避免弧垂的產生。

複合材料芯材鋁導線（ACCC）以複合材料芯材替代金屬芯材，為解決架空線弧垂問題開闢了更有效的技術途徑。2002年，基於ACCC專利技術，全球供配電設備技術領先企業——美國CTC公司展開了產品的研發，以期將其投入使用。當時的開發目標是，在不對現有架空線承載塔架做任何變動且不增加現行導線質量或直徑的前提下，開發CFRP芯材來承載鋁導線，以降低熱弧垂、增大塔架距離、承載更大電流、減少線損、提高供電網絡可靠性等。2005年，該公司首次推出商業化的ACCC導線產品，其研製生產的CFRP芯鋁導線的強度是同等質量鋼芯鋁導線的2倍、傳輸的電流容量是其他芯材鋁導線的2倍、線損較其他芯材鋁導線降低了25%~40%，其高容、高效和低弧垂等性能遠遠超越了其他材質芯材鋁導線。

圖25為相同直徑鋁導線的截面對比，其中，鋼芯的直徑明顯大於CFRP芯的直徑，這使得CFRP芯鋁導線可多容納28%的鋁導線，從而增大了電流的通過能力。

圖25 鋼芯鋁導線和CFRP芯鋁導線的截面對比

10 CFRP作為壓力容器的纏繞增強材料

高壓容器主要用於航空太空飛行器、艦船、車輛等運載工具所需氣態或液態燃料的儲存，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儘可能多地存儲氣體，需對氣體進行加壓，因此，需提高容器的承壓能力，對容器進行增強，以確保安全。

20世紀40年代，美國開始武器系統用複合材料增強高壓容器的研究。1946年，美國研製出纖維纏繞壓力容器；20世紀60年代，又在北極星和土星等型號的固體火箭發動機殼體上採用纖維纏繞技術，實現了結構的輕質高強。1975年，美國開始研製輕質複合材料高壓氣瓶，採用S-玻纖/環氧、對位芳綸/環氧纏繞技術，製造複合材料增強壓力容器。

後來，科學家們紛紛研製出由玻纖、碳化矽纖維、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複合材料（表3）。其中，對位芳綸曾大量用於各種航空太空飛行器用壓力容器的纏繞增強，後逐漸被碳纖維所取代。20世紀70年代，纖維纏繞金屬內襯輕質壓力容器被大量用於太空飛行器和武器的動力系統中；20世紀80年代，碳纖維增強無縫鋁合金內襯複合壓力容器出現，其使壓力容器的製造費用更低、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疲勞失效模式，提高了安全性。因此，全纏繞複合材料高壓容器已在衛星、運載火箭和飛彈等太空飛行器中廣泛使用。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、質量26.8kg；而標準航空航天用鋼內襯複合氦氣瓶質量20.4kg，鋁內襯複合氦氣瓶質量11.4kg，無內襯複合氣瓶質量僅為6.8kg（相較於鈦合金球形氦氣瓶質量減少了75%）。

高性能纖維（表3）是全纏繞纖維增強複合壓力容器的主要增強體。通過對高性能纖維的含量、張力、纏繞軌跡等進行設計和控制，可充分發揮高性能纖維的性能，確保複合壓力容器性能均一、穩定，爆破壓力離散差小。車用高壓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，其餘約30%為內膽和其他材料。

20世紀30年代，義大利率先將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著鋼質氣瓶的擴大應用。20世紀80年代初，玻璃纖維環向增強鋁（或鋼）內膽的複合氣瓶誕生。由於環向增強複合氣瓶的軸向強度欠佳，故其金屬內膽依然較厚。為解決此問題，同時對環向和軸向進行增強的全纏繞纖維增強複合氣瓶應運而生，其金屬內膽的厚度大幅減薄，質量顯著減小。20世紀90年代，以塑料作為內膽的複合氣瓶出現。新能源汽車領域，高壓氣瓶的應用主要是燃料電池動力汽車用高壓儲氫氣瓶，其壓力已到達70 MPa。（圖26）

圖26 燃料電池電動汽車用CFRP增強液氫儲罐

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%，而在製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僅佔0.7%。工業上，常採用氣體擴散法進行鈾濃縮，儘管該方法投資大、耗能高，但卻是目前唯一可行的方法。鈾235和鈾238的六氟化鈾氣態化合物，兩者質量相差不到百分之一。加壓分離時，這不到百分之一的質量差會促使鈾235的六氟化鈾氣態化合物能以稍快的速度通過多孔隔膜。每通過1次多孔隔膜，鈾235的含量就會稍有增加，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多孔隔膜。工業加工就是讓六氟化鈾氣體反覆地通過級聯的多臺離心機，實現對鈾235的濃縮（圖27）。

圖27 鈾濃縮氣體離心機的工作原理及現場圖

鈾濃縮氣體離心機技術是核燃料生產的關鍵，是衡量核技術水平的重要標誌。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、不可維修等特點，其研製涉及機械、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理論和技術，難度非常大。離心機中轉子的轉速與氣體分離效率直接相關。轉子轉速越高，氣體分離效率也越高。因此，確保轉子轉速在60000r/min以上，是鈾濃縮氣體離心機最基本的性能要求。而這麼高的轉速便對轉子的材質提出了非常苛刻的要求。金屬材質的轉子根本無法達到如此高的轉速，因為它無法跨越共振頻率，金屬材質的轉子一旦達到共振頻率便會碎裂；而CFRP製成的轉子則不存在這一問題，其可耐受更高的轉速。因此，早在20世紀80年代，CFRP就已被用於製造鈾濃縮氣體離心機的高速轉子。且隨著CFRP技術的進步，CFRP製成的轉子可耐受更高的轉速，鈾濃縮效率大幅提升。

鑑於CFRP高速轉子在鈾濃縮生產中的重要作用，西方國家一直對非核國家禁運氣體離心機用CFRP高速轉子。

12 CFRP作為特種管筒的增強材料

與壓力容器長時間持續耐壓不同，槍管、炮管、液壓作動筒等特種管筒需在較長時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特殊用途的承壓管筒，在減輕自身質量、改進散熱、提高精度、延長壽命等方面效果非常明顯。

美國普魯夫實驗公司研發了一款CFRP增強槍管。其將先進複合材料技術與熱-機械設計原理相融合，並採用了航空專用碳纖維和航天高溫樹脂，研製出新一代運動用和軍用槍館。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求。此外，該公司研製的CFRP增強槍管在設計與製造工藝上適應了碳纖維的縱向（即沿槍管長度方向）熱擴散率特性，能更有效地通過槍管壁散熱，極大地提高熱擴散效率，且槍管能快速冷卻，並可在持續開火狀態下更長時間地保持射擊精確度，是被美國軍隊唯一驗證過的CFRP增強槍管（圖28）。

圖28 CFRP增強槍管

CFRP技術在槍管上的成功應用很快推廣到對各式炮管的增強。同時，利用CFRP增強的特種液壓作動筒也已面市。

13 CFRP作為公共基礎設施建設用的關鍵材料

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最終解決方案。

但跨徑增大會使得懸索橋鋼質主纜的強度利用率、經濟性和抗風穩定性急劇降低。目前，在大跨度懸索橋中，高強鋼絲主纜自身質量佔上部結構恆載的比例已達30%以上，主纜應力中活載所佔比例減小。如，跨度1991m的日本明石海峽大橋，鋼質主纜應力中活載所佔比例僅約為8%。

此外，跨徑增大還會降低橋梁的氣動穩定性。有研究表明，從氣動穩定性角度考慮，2000m的跨徑是加勁梁斷面和纜索系統懸索橋的跨徑極限。而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改善斷面氣動特性等3個問題。大跨度懸索橋的結構剛度取決於主纜的力學性能。CFRP的力學特性使得其成為了大跨度懸索橋主纜的優選材料。利用懸索橋非線性有限元專用軟體BNLAS，研究主跨3500m的CFRP主纜懸索橋模型的靜力學和動力學性能最優結構體系，得出：CFRP主纜自身質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主纜安全係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。

總之，CFRP主纜可明顯提升大跨徑懸索橋的整體性能（圖29）。

圖29 特大跨度懸索橋鋼質主纜

此外，建築與民用工程領域是最早將碳纖維用於結構增強的。通過在橋梁等建築物上鋪覆碳纖維織物，可提高水泥結構體的耐用性，以及水泥結構建築物的抗震性能（圖30）。

圖30 CFRP在建築與民用工程中的補強應用

未來，CFRP很可能成為名副其實的建築材料。世界各國都在加快技術開發，使CFRP能直接用作建築結構材料。如，利用CFRP的導電性製作建築用電磁防護材料；在CFRP中嵌入傳感器製作智能建築材料，利用傳感器傳送的數據實時掌握建築物結構可能受到的損害。

14 CFRP在醫療器械和工業設備領域的應用

在醫療器械領域，利用其X射線全透射性，其被用於製造X光檢查儀用移動平臺；利用CFRP優異的機械性能，其被用於製造骨科用和器官移植用等醫療器械，以及製造假肢、矯形器等康復產品（圖31）。

圖31 CFRP在醫療器械中的應用示例

由短切碳纖維與質量分數佔10%~60%的尼龍或聚碳酸酯模塑成型的CFRP部件，質量輕、厚度薄、抗靜電、抗電磁，在電子信息產品如筆記本電腦、液晶投影儀、照相機、光學鏡頭和大型液晶顯示板等中應用廣泛。加之CFRP具有優異的抗撕裂性能，還可用於製造軸承、輥軸、管材等產品，其強度與鋼質產品相同，但質量可大幅降低（圖32）。

圖32 CFRP在工業設備部件中的應用示例

15 CFRP在體育休閒用品領域的應用

體育休閒用品是CFRP最早進入市場化的應用領域。隨著性價比的提高，這一領域已形成了對CFRP的穩定需求。滑雪板、滑雪手杖、冰球桿、網球拍和自行車等，是CFRP在體育休閒用品中的典型應用（圖33）。

圖33 CFRP在體育休閒用品中的應用示例

16 碳纖維作為時尚元素材料

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、走向和質感，為時尚設計師們提供了豐富的想像空間和造型元素。目前，使用碳纖維製成的服裝飾品有鞋、帽、腰帶、首飾、錢包（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）。所有這些製品都展示出了碳纖維高冷、堅韌、驕傲和優雅的時尚特質。它們既是日用品，又是藝術品，給人們的生活增添了極致奢華的技術和藝術享受。

圖34 碳纖維作為時尚元素材料的應用實例

結語

綜上可見，碳纖維在眾多領域有著廣泛的應用。應用市場的不斷細分還將推動碳纖維技術的差別化發展，將有更多、更好的碳纖維製品被製造出，以促進社會綠色發展、滿足人們多樣化的生活需求。

文章來源：產業用紡織品

原標題：《【復材資訊】碳纖維複合材料的十六個主要應用領域及技術進展(下)》

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