碳纖維是非常重要的無機高性能纖維，其首個市場化應用是1972年市售的碳纖維增強樹脂釣魚竿。此後，碳纖維應用快速向以航空航天材料為代表的高端化發展。

碳纖維最主要的應用形式是作為樹脂材料的增強體，所形成的碳纖維增強樹脂（CFRP）具有優異的綜合性能，其在導彈、空間平台和運載火箭，航空器，先進艦船，軌道交通車輛，電動汽車，卡車，風電葉片，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，醫療和工業設備，體育休閑産品，以及時尚生活用具等十六個領域，有着實際和潛在的應用。

下文将對上述領域中碳纖維的應用及其技術進展加以綜述。

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CFRP作為導彈、空間平台和運載火箭的關鍵材料

碳纖維是現代宇航工業的物質基礎，具有不可替代性。CFRP被廣泛應用于導彈武器、空間平台和運載火箭等航天領域。在導彈武器應用方面，CFRP主要用于制造彈體整流罩、複合支架、儀器艙、誘餌艙和發射筒等主次承力結構部件（圖1）；在空間平台應用方面，CFRP可确保結構變形小、承載力好、抗輻射、耐老化和空間環境耐受性良好，主要用于制造衛星和空間站的承力筒、蜂窩面闆、基闆、相機鏡筒和抛物面天線等結構部件（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、級間段、發動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，其是實現航天器輕量化、小型化和高性能化不可或缺的關鍵材料。

圖1 CFRP在導彈武器上的應用示例

圖2 CFRP在衛星和空間站上的應用示例

圖3 CFRP在運載火箭上的應用示例

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CFRP作為航空器的結構材料

在大型先進飛機中，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，當時的美國政府啟動了“飛機節能計劃”。現代飛機機身采用鋼、鋁、钛等金屬和複合材料制成。為節約燃油和提高運營效益，減輕機身質量一直是飛機設計制造技術中的核心挑戰之一。而CFRP在飛機機身制造上的成熟應用為減輕飛機機身質量提供了最有效的途徑。例如，以金屬材料為主制成的波音767飛機（CFRP用量僅占3%）機身質量為60 t，而将CFRP用量提升到50%時，新型飛機機身質量下降到48 t，僅此就極大地提升了該型飛機的能源和環境效益。

正在研制的波音777X型飛機（圖4）和最新投産的波音787型飛機，機身複合材料的用量都達到了50%。波音777X型飛機是以波音777飛機為基型，正在開發的一種大型雙引擎客機，計劃首架飛機于2020年交付投入運營。波音777X飛機的主翼由CFRP制成，其翼展長約72m（235英尺），是目前客機中翼展最長的機型之一。翼展越長，升力越大，因此，波音777X的單座燃油消耗和運營成本都非常有競争力。此外，CFRP機翼不僅強度高、柔性好，且末端可折疊，這樣多數機場都能滿足其寬翼展的停機需求。波音787飛機的主翼和機身等主承力結構都采用日本東麗公司的碳纖維預浸料制造。2005年11月，東麗公司與美國波音公司簽署了一項為期10年的協議，為波音787夢想号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波音公司達成綜合協議，将為波音公司生産的787和777X兩型飛機提供碳纖維預浸料。波音公司計劃提高787飛機的月産量，将從2015年的10架提高到2016年的12架、2020年的14架；同時，大型模塊的比率也将提高，這将極大地促進對CFRP的需求。為保證波音787飛機月産量達12架後的材料供應，東麗複合材料（美國）公司已于2016年1月完成了擴産；同時，日本東麗公司決定在斯帕坦堡縣廠區内建設包含原絲、碳纖維和預浸料在内的一體化生産線，設計年産能為2000 t，這是東麗公司首次在美國建設一體化的碳纖維生産線，以用于研發波音777X飛機和滿足月産14架波音787飛機的需求。

圖4 CFRP在大型客機機身及承力結構中的應用

2016年8月17日，英國最新研制的大型飛艇完成了其處女航（圖5）。這架飛艇是一種輕于空氣的航天器，被設計用來執行偵察、監視、通信、貨物與救援物資的運輸，以及乘客交通等。該飛艇采用日本可樂麗公司生産的聚芳酯織物作蒙皮，蒙皮内充滿了帶壓氦氣；其形狀結構材料采用CFRP，最大化地減輕了飛艇自身質量。無人值守的情況下，該飛艇一次可最長在空中漂浮5天。

圖5 英國最新研制的大型飛艇

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CFRP作為先進艦船船體結構

CFRP對提高艦船的結構、能耗和機動性能等非常明顯。

瑞典在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流水平，較早便采用CFRP技術研制軍用艦船。2000年6月下水的瑞典海軍護衛艦是世界第一艘在艦體結構中采用CFRP的海軍艦艇（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、低雷達和磁場信号，以及吸收電磁波等優異性能。

圖6 CFRP在艦船船體結構中的應用

由于成本原因，雖船舶中大量使用CFRP還有待時日，但其已實際用于制造民用新概念船艇和軍用艦船關鍵部件。2010年，德國Kockums公司制造了一條幾乎全部采用CFRP的新概念太陽能探險船。該船長31.0 m、寬15.0 m，以太陽能為動力。2010年9月27日，瑞典探險家駕駛該船出海，開始環球探險航行（圖7）。

圖7 CFRP在新概念船艇中的應用

CFRP還已用于艦船推進器葉片、一體化桅杆和先進水面艦艇上層建築的制造。

低噪聲、安靜運行是軍用艦船領域的一項核心技術，是艦船（特别是潛艇）性能的關鍵指标。因為螺旋槳高速運轉時，其槳葉片上會産生時滅的空泡，導緻槳葉剝蝕，并伴有強烈的振動和噪聲。CFRP葉片不僅更輕、更薄，還可改善空泡性能、降低振動和水下特性、減少燃油消耗。圖8（a）為以色列潛艇所用螺旋槳；圖8（b）為CFRP大型貨輪螺旋槳。圖9為英國羅伊斯羅爾斯公司為班尼蒂遊艇生産的CFRP材質的推進器系統。

圖8 CFRP用于制造潛艇和貨輪推進器系統的螺旋槳槳葉

圖9 CFRP用于制造遊艇的推進器系統

此外，隐身也是評價軍用艦船先進性水平的一項重要指标。提高隐身性能必須減小艦船體的雷達反射截面，并降低其光學特性。在過去，艦船上層建築上都豎立着多根挂滿各種鞭狀和條狀的天線桅杆，它們極大地阻礙了艦船在探測設備中的隐身能力。1995年，美軍開始研究一體式桅杆系統，其将各種天線設計成平面形或球形陣列，并集成于采用能反射電波的複合材料制成的一體式桅杆系統中，可防風雨和鹽霧的侵害。且更進一步的是，美軍下一代作戰艦艇的整個上層建築都采用複合材料制造。

該艦是美國海軍的下一代主戰艦艇，其集成了當今最尖端的海軍艦船技術，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。特别值得注意的是，該艦上層建築及内嵌天線系統由美國雷神公司負責設計制造，采用了一體化模塊式複合材料結構，質量輕、強度高、耐鏽蝕、透波性好，具有極佳的隐身性能，被發現概率低于10%（圖10）。

圖10 特級驅逐艦及施工中的複合材料上層建築

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CFRP作為軌道交通車輛的車體結構

輕量化是減少列車運行能耗的一項關鍵技術。金屬制造的軌道列車，雖車體強度高，但質量大、能耗高。以C20FICAS不鏽鋼地鐵列車為例，其每千米能耗約為3.6×107 J(即10 kWh)，運行15 萬km約消耗540 000 GJ能量；如質量能減少30%，則可節能27,000×30%=8,100 GJ73。

CFRP是新一代高速軌道列車車體選材的重點，它不僅可使軌道列車車體輕量化，還可以改進高速運行性能、降低能耗、減輕環境污染、增強安全性。當前，CFRP在軌道車輛領域的應用趨勢：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、整車車體等大型結構發展；以金屬與複合材料混雜結構為主，CFRP用量大幅提高。

圖11列出了1節地鐵列車中間車輛各部分的質量比例，其中車身質量約占36%、車載設備約占29%、内部裝飾約占16% 。由于車載設備幾乎沒有減重空間，因此，車身和内部裝飾就成為了輕量化的重點對象。2000年，法國國營鐵路公司采用碳纖維複合材料研制出雙層 TGV型挂車；韓國鐵道科學研究院以此為基礎，研制出運行速度為180km/h 的TTX型擺式列車車體，其采用不鏽鋼增強骨架，側牆體和頂蓋采用鋁蜂窩夾芯，蒙皮采用CFRP構成的三明治結構，車體外殼總質量比鋁合金結構降低了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2010年投入商業化運營（圖12）。

圖11 地鐵列車中間車輛各部分的質量比例

圖12 TTX型擺式列車車體

2011年，韓國鐵道科學研究院（KRRI）研制出CFRP地鐵轉向架構架，質量為 635 kg，比鋼質構架的質量減少約30%。日本鐵道綜合技術研究所（JRTI）與東日本客運鐵道公司聯合研制的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 CFRP 構架邊梁，其質量比金屬梁減少約40%。

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CFRP作為電動汽車的車體結構

材料系統實驗室關于材料對汽車輕量化和降低生産成本的研究表明，汽車質量每減輕10%，油耗可降低6%。現有材料中，CFRP的輕量化效果最好；加之，汽車設計和複合材料技術的快速發展。這些都使得CFRP在汽車制造領域的應用速度遠遠超出人們的預期。

某型号車的推出引領了這一潮流。2008年在慕尼黑召開會議，目的是讓城市交通技術發生徹底的變革，其建立了一個“i計劃（Project i）”的智庫，唯一的任務就是“忘掉以前所做的一切，重新思考一切”。2009年，該智庫形成了一個全新的節能概念——“有效動力願景”，奠定了公司後續研究的思想基礎，它要求對車身和驅動系統進行專門的設計，以達到全新的節能性，而此前的想法都是将已有的節能技術集成到既有的模闆中。2011年，公司确立了“天生電動，其讓人們在日常駕駛出行中用上了全電動能源；同年，第一款全電動概念車實現技術演示。2012年，兼具高能效和更優異運動跑車性能的概念車推出，其采用CFRP、鋁和钛等輕質材料，實現了突破意義的減重；同年，全新電驅動系統推出，實現了零排放。推出新型車，該車整車質量僅1 245kg，一次充電續航裡程可達200 km，且百公裡加速時間7.3 s，靈活性獨特。

圖13 未來互動願景概念車

其中，采用“LifeDrive”模塊化車身架構設計，由乘員座艙（Life）模塊和底盤驅動（Drive）模塊兩部分組成。乘員座艙模塊又稱生命模塊（圖14），其構成駕乘人員的乘用空間，采用CFRP制成的生命模塊，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，集成了電機（最大功率125 kW，最大扭矩250 N·m）、電池和燃油發動機等動力部件。

圖14 車體上部的生命模塊

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

圖15 CFRP車體制造工藝

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CFRP作為新概念貨運卡車的車體結構

世界零售業巨頭沃爾瑪公司在美國擁有1支由近6000輛貨車組成的卡車車隊，它們會将産品送至遍布于美國的數千家門店。該車隊為保持持續的生存能力和效率，一直以“行駛裡程更少，運輸量更多”為目标，依靠提高司機駕駛技術、采用先進牽引挂車、改進過程與系統籌劃等措施，實現2007—2015年間車隊行駛超480萬km，運送集裝箱數超8億，運輸效率較2005年提高84.2%。

其中，牽引挂車的性能對實現“多拉少跑”的目标關系重大，故沃爾瑪公司投入巨資開展“先進車輛體驗”的新概念卡車研究計劃。已研制的新概念卡車集成了空氣動力學、微型渦輪混合動力驅動系統、電氣化、先進控制系統，以及CFRP車體等前沿技術。主要技術創新：先進的空氣動力學設計，整體造型優雅，氣動性能較現行的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；司機座位設計于駕駛室中央，具有180°的視野；電子儀表盤可提供定制化的量程和性能數據 ；滑動型車門和折疊型台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卧室。牽引挂車的整個車身采用CFRP制成，頂部和側牆均采用16.2 m（53英尺）長的單塊闆材，其優異的力學性能可确保車體的結構強度；采用先進黏結劑黏合，最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，有效提高氣動性能；低剖面LED燈光更節能、耐用（圖16）。

圖16 新概念卡車

目前，該計劃已完成84%的任務量，但仍有許多創新性技術有待繼續研發。可以預見，沃爾瑪公司的新概念卡車對推進卡車技術的進步和拓展碳纖維的應用，有非常大的作用。

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CFRP作為風電葉片的增強結構

風能是最具成本優勢的可再生能源，風能發電在近10年來已取得飛速發展。

為提高風力發電機的風能轉換效率，增大單機容量和減輕單位千瓦質量是關鍵。20世紀90年代初期，風電機組單機容量僅為500 kW，而如今，單機容量10 MW的海上風力發電機組都已産品化。風電葉片是風電機組中有效捕獲風能的關鍵部件，葉片長度随風電機組單機容量的提高而不斷增長。根據頂旋理論，為獲得更大的發電能力，風力發電機需安裝更大的葉片。因葉片長度的問題，業界就是否需發展10 MW及以上能力的風力發電機存有争議，但主流觀點是需要發展的。相關人員認為：面積與體積的關系的科學定律将最終限制葉輪直徑的不斷增長，但目前還未達到極限，制造10 MW風力發電機在技術上是可行的；且從運營效益上看，降低每兆瓦時的運營成本，必須提高風力發電機的容量（圖17）。

圖17 葉片直徑的增長過程

葉輪直徑的增加對葉片的質量及抗拉強力提出了更輕、更高的要求。CFRP是制造大型葉片的關鍵材料，其可彌補玻璃纖維複合材料（GFRP）的性能不足。但長期以來，出于成本因素，CFRP在葉片制造中隻被用于樑帽、葉根、葉尖和蒙皮等關鍵部位。近年，随着碳纖維價格穩中有降，加之葉片長度進一步加長，CFRP的應用部位增加，用量也有較大提升。2014年，成功研制出國内最長的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的國産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

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碳纖維紙作為燃料電池的電極氣體擴散材料

燃料電池是指不經過燃燒，直接将化學能轉化為電能的一種裝置。燃料電池在等溫條件下工作，其利用電化學反應，将儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能，是一種備受矚目的清潔能源技術，轉化效率非常高（除10%的能量以廢熱形式浪費外，其餘的90%都轉化成了可利用的熱能和電能）且環境友好；而相較之下，使用煤、天然氣和石油等化石燃料發電時，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程中，隻有約33%的電能可以真正用到用電設備上（圖19）。

圖19 燃料電池與化石燃料發電利用率的比較

各類燃料電池中，質子交換膜燃料電池（PEMFC）的功率密度大、能量轉換率高、低溫啟動性最好，且體積小、便攜性好，是理想的汽車用電源。質子交換膜燃料電池由陰極、電解質和陽極這3個主要部分組成，其工作原理：

（1）陰極将液氫分子電離。液氫流入陰極時，陰極上的催化劑層将液氫分子電離成質子（氫離子）和電子。

（2）氫離子通過電解質。位于中央區域的電解質允許質子通過到達陽極。

（3）電子通過外部電路。由于電子不能通過電解質，隻能通過外部電路，故而形成了電流。

（4）陽極将液氧電離。液氧通過陽極時，陽極上的催化劑層将液氧分子電離成氧離子和電子，并與氫離子結合生成純水和熱；陽極接受電離所産生的電子（圖20）。可将多個質子交換膜燃料電池連接起來組成燃料電池組，可提高電能的輸出量。

圖20燃料電池工作機理

美國聯合技術公司是全球軍民用燃料電池産品技術的領先企業。聯合技術動力公司原是一個業務部門，其産品廣泛用于航天器、潛艇、建築、公交巴士和家用汽車等領域。20世紀90年代早期，公司便已制造出大型固定式燃料電池電站，并投入商業化運行。此後10多年，公司都在緻力于公交巴士和家用汽車用燃料電池技術的研發。

2008年以來，由于突破了成本和壽命等技術瓶頸，燃料電池的商業化應用取得實質性進展。美國巴拉德動力公司研制生産的FCveloCity®型燃料電池，是專為公交巴士和輕軌研制的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的電源。2015年6月上市的85kW級的FCveloCity®型燃料電池，主要用于電動公交巴士（圖21和圖22）。

圖21 85kW級的FCveloCity®型燃料電池

圖22 模塊化燃料電池的應用示例

碳纖維紙作為一種高性能複合材料，是制造燃料電池質子交換膜電極中氣體擴散層必不可少的多孔擴散材料（圖23）。氣體擴散層（GDL）構成氣體從流動槽擴散到催化劑層的通道，是燃料電池的心髒，是膜電極組（MEA）中非常重要的支撐材料，其主要功能是作為連接膜電極組和石墨闆的橋梁。氣體擴散層可幫助催化劑層外部生成的副産品——水盡快流走，避免積水造成溢流；還可幫助在膜的表面保持一定水份，确保膜的導電率；燃料電池運行過程中，幫助維持熱傳導；此外，提供足夠的力學強度，在吸水擴展時保持膜電極組的結構穩定性（表2）。

圖23燃料電池用碳纖紙、碳纖布和碳纖闆

表2 CE-Tech公司生産的燃料電池用部分碳纖維紙牌号及性能指标

在質子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池中，同時使用碳纖維紙和碳纖維布作為氣體擴散層的綜合效果更好。每輛燃料電池電動汽車約需消耗碳纖維紙100 m2（即8 kg）。

法國阿爾斯通公司發布了其最新研制的全球首輛液氫燃料電池電動火車。該車屬阿爾斯通公司的區域型列車，最新發布的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、變流器和電動機，它将開辟燃料電池更大的應用市場空間，促進碳纖維紙技術的進一步發展（圖24）。

圖24 全球首創的氫燃料電池動力火車

來源：複材邦

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