碳纖維復合材料在工業領域如何應用？

    除了傳統的航空航天領域外，碳纖維在工業上的應用技術發展很快。由于碳纖維復合材料剛度強、抗彎能力突出等特點使其在風力發電這一應用領域上大顯身手，可將資源豐富、無污染的風能為人們所用；利用碳纖維復合材料輕質、高強等特點使其在汽車工業上顯著提高汽車的整體性能并節省燃油。在倡導低碳經濟的今天，采用碳纖維作為工業新材料，對于節能、降耗、減排意義日漸凸顯。碳纖維材料還可在超低溫（-180℃）、超高溫（3000~3500℃）及強腐蝕環境下依然保持自我，使一些材料在急冷急熱及高強腐蝕等極端環境下正常使用成為可能。

    （1） 碳纖維連續抽油桿

    有桿泵抽油是當前國內外應用最廣泛的機器采油技術。當前，世界上采油井總數的90%是機械采油，其中有桿泵抽油又占85%左右，約75%的石油是靠桿抽出來的。機械泵采油系統的關鍵部件之一是抽油桿。由于鋼制抽油桿在柔性、耐腐蝕及重量與強度等方面的不足，使其不能適應超深井高、腐蝕井采油的需要，碳纖維連續抽油桿抗疲勞性能好，107次疲勞試驗后，剩余強度為90%，而鋼制抽油桿的剩余強度僅為30%~40%，因此，采用碳纖維連續抽油桿大大延長了油桿的使用壽命。而且碳纖維連續抽油桿柔韌性好，最小曲率半徑為300mm，桿的連續長度可達千米以上，整個抽油桿只有上、下兩個接頭，降低了斷脫的概率，有利于機械化作業。

    接頭和安全保險裝置外，還開發了新型作業車、礦場計算機軟件，以及與工業化生產現場作業配套的相關技術。而且碳纖維連續油管作業車同時兼顧連續油管升井、下井功能，實現了采油領域一體化作業。

    目前，該碳纖維連續抽油桿將相繼在新疆油田深井或超深井中下井采油，必將產生良好的經濟效益，特別是節能效果明顯。

    （2） 碳纖維風力發電葉片

    煤炭、石油、核能、水力、太陽能、風能為人類活動的六大能源。風能的優點是資源豐富，無污染，發電成本低廉，已成為人類開發新能源的重要領域。風能作為一種清潔的可再生能源而逐漸被人們重視，開發和利用風能資源不僅可以為21世紀尋找新的替代能源，而且有利于環境保護。預計未來5年，風能發電的市場需求將以每年20%~35%的速度增長，在工業各領域中用量最大。

    風力發電機的發電效率與風力發電葉片的長度、面積及材質有著密切的關系。葉片的材料越輕、強度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強，葉片就可以做得越大，它的捕風能力也就越強。傳統的風力發電葉片多使用玻璃纖維增強材料（GFRP） 制造，由于受剛度所限，難于制成長葉片。1980年以前，風力葉片平均長5m左右，經過10年的發展，葉片的長度已達到35m。隨著單機功率的增大，要求葉片長度不斷增加。根據國外有關資料報道，當風力機超過3MW、葉片長度超過40m時，玻璃纖維復合材料性能已經趨于極限，因此，輕質高強、耐久性好的復合材料成為目前大型風力發電葉片的首選材料。

    由于CFRP 葉片剛度是GFRP 葉片的2~3倍，因此，采用CFRP制作的風力發電機葉片已超過40m。VESTA 8989 SV-90型風力發電機葉片長44m，德國的Nordex Rotor開發的風力葉片長度達56m，丹麥的LM 公司研制出了61.5m 長的玻璃纖維尸碳纖維混雜復合材料葉片，單片葉片的重量接近18t，成為世界上最大的復合材料葉片“巨人”。

    目前國內實力強、潛力大的風電葉片制造企業主要有：LM，Vestas，Gamesa 等為代表的外資企業和以保定惠騰、中復連眾、中材科技、天津東汽、國電、上海玻鋼院等為代表的內資企業。截至2009 年年底，我國境內的風電機組葉片廠商超過了60家。

    我國加快風力發電發展速度的同時，也為國內大型復合材料葉片的開發提供了一個不可多得的發展機遇。面臨著巨大的市場需求和強勁的國際競爭，我國發展大型復合材料葉片的機遇與挑戰共存。

    （3） 壓縮天然氣罐

    汽車排放的尾氣是當今社會的一大公害。天然氣中的90% 以上的成分是甲烷，甲烷屬于清潔能源。用天然氣取代傳統的燃油后，汽車尾氣排放的CO2及SOx、NOx量大大降低，有利于抑制溫室效應。因此將汽車用的燃油改為天然氣將是今后減少汽車尾氣排放的重要措施。

    天然氣依靠壓縮罐解決其貯存問題。對于壓縮罐，其技術特點是：輕質、安全。壓縮罐的材質有鋼材、輕合金、玻璃鋼和碳纖維復合材料。鋼制氣瓶的容積質量系數為O.3~0.5kg·L-1，GFRP為O.6~0.8kg·L-1，CFRP為1.1~1.4kg·L-1，即采用CFRP制成的壓縮罐質量最輕。隨著碳纖維市場價格的下降，CFRP天然氣貯罐的性價比優勢越來越明顯。

    制造天然氣壓縮罐的碳纖維一般采用高強中模、細直徑碳纖維，拉伸強度在4.5~5.5GPa，拉伸模量在305~420GPa，單絲直徑在5.O~5.3μm 范圍內，滿足壓縮罐的高壓、剛性和壓縮強度、層間剪切強度等技術要求。

    眾所周知，壓縮天然氣瓶已在汽車上大量使用，而最近伊纖維公司開發了燃料電池汽車所需的CFRP高壓氫氣瓶，內膽采用鉻鉬不銹鋼，實現了高強度和低成本的目的，并取得了高壓氣保安協會的認定。該公司現每年生產85萬個高壓氣體容器，是世界上最大的生產廠家，同時已累積生產15萬個汽車用的壓縮天然氣瓶。這次所開發的壓縮氫氣瓶因選用CrMo鋼內膽，提高了耐氫氣、發脆特性，可耐超過11250次高壓充填氫氣，與采用鋁合金膽相比，抗拉伸強度提高3倍。由于容器壁薄了，其質量與鋁制品同級，而成本低50%以上。

    （4）汽車工業

    目前碳纖維材料在民用量產汽車、尤其是中檔汽車上的應用也十分廣泛。在巴黎2010 JEC復合材料展覽會上，可以看到，復合材料在汽車上得到廣泛應用。汽車用碳纖維復合材料按功能可分為結構件、裝飾件和功能件；按部位可分為車身、底盤和座艙等，可具體細化為翼子板、車頂板、底盤、行李箱板、門內板、輪轂、引擎罩、避震彈簧、傳動軸結構加強和耐熱件等，可謂琳瑯滿目、品種繁多。

    因此，碳纖維材料在汽車領域的應用越來越多，也越來越廣泛，相信在不久的未來，汽車排放越來越“低碳”，而汽車本身則會越來越“高碳”。

    1.汽車車身 隨著大絲束碳纖維價格的進一步降低和全球對環保要求的不斷提高，CFRP在汽車工業上的應用比例將會越來越高，已從只用于汽車內外裝飾材料拓寬到汽車車身、傳動軸及底盤等。梅賽德斯-奔馳新推出的SLR邁凱輪超級跑車的車身和乘坐艙幾乎全部采用CFRP，車速達到334Km·h-1同時由于CFRP 的有效吸收碰撞能量的能力是鋼或鋁的4～5倍，使乘員得到最大限度的安全保障。目前，世界正在研發用于低成本碳纖維材料，成本與鋼鐵汽車相當的“碳纖維汽車” 有望在2015年前后實現商品化。

    汽車工業大量采用新材料使其輕量化，可顯著提高汽車的整體性能并節省燃油。降低汽車的耗油技術主要有兩個方面： 一是減少行駛阻力；二是提高機械效率。而減少行駛阻力最有效的措施是減輕車的質量；提高機械效率的主要措施是改善發動機的有效功率。試驗表明，用碳纖維復合結構材料取代鋼體本身，可減少30%以上的車身自重，從而提高30%的燃油效率。至今，沒有任 何一項技術能像CFRP一樣如此迅速幫助汽車制造商達到他們產品減重的目的。CFRP在有效減重、優化外形、降低腐蝕及凹陷、改善噪聲及振動阻尼、在高速撞擊下保護乘員安全等眾多方面可謂無與倫比。雖然目前只用于豪華轎車車型，但預計未來將會在大眾車型中推廣。

    2.汽車輪轂 德國輪轂制造專家Wheel Sandmore推出的“Megalight-Forged-Series”輪轂系列： 采取2片式設計，外環為碳纖維材質打造、內轂為輕量化的合金，搭配不銹鋼制的螺絲，較一般同尺碼可減輕重量40%左右。

    （5） 碳纖維復合材料電纜芯

    伴隨著電能需求的不斷提升以及傳統的電線易出現受高溫而變松、被積雪壓斷等問題，采用碳纖維復合材料作為電纜的加強芯便應運而生，它不僅可以解決上述問題，同時可以加大鐵塔之間的墩距。中國、北美、南美等地區使用碳纖維增強材料電纜芯的需求量在不斷擴大。

    碳纖維復合芯電纜具有以下優點。

    1.重量輕。碳纖維復合芯的密度是鋼密度的1/4。因此，架空電纜的桿塔跨距可增長，減少塔桿數約為16%，同時減少占地面積。

    2.強度高，破斷力大。ACCC拉伸強度是普通鋼絲的1197倍，是高強度鋼的117倍，破斷力可提高30%。同時，由于ACCC 強度高，使鋁絞線幾乎不受拉力，可提高其使用壽命。

    3.線路損耗小。碳纖維復合材料是一種非磁性材料，當通過交流電時不會產生磁滯損耗和渦流損耗，可減少輸電損耗6%左右。同時，由于ACCC采用梯形鋁線，外表更加光滑，減少了電暈損失。

    4.耐腐蝕，使用壽命長。采用碳纖維復合芯棒可避免在通電時鋁線與鍍鋅鋼絲之間的電化學腐蝕。同時，碳纖維芯棒外層為絕緣層，使芯棒與鋁線完全絕緣，不存在接觸電位差，使鋁導線免受電腐蝕。

    5.線膨脹系數小，弛度小。ACCC電纜可適應晝夜溫差、冬夏溫差的變化。我國購買國外碳纖維復合芯鋁絞電纜在許多電網中開始試用的同時，國內研發這種新型電纜也正在進行。我國從美國復合材料技術公司（CTC） 購買ACCC，通過在實際電網中試用，以促進其在我國的推廣使用，提高國內輸電技術水平，滿足社會對電力的需求。

    碳纖維復合芯鋁導線的應用是新材料在輸電領域應用的發展方向，對我國電網建設和升級改造、提高電網的輸送能力及安全運行水平以及促進國產碳纖維的可持續發展具有重大的現實意義和戰略意義。預計在十二五期間，將形成高性能碳纖維復合芯50000km·a-1的生產能力，并開發出10~500kV系列輸電復合材料桿塔產品，建成一條獨立的復合材料桿塔生產線，實現產業化建設。

    （6） 建筑補強

    碳纖維輕質、高強、耐腐蝕能力強、柔韌性好，是建筑物、橋梁、隧道、煙囪等結構體及結構體中的梁、板、柱、墻等構件的加固補強理想材料。碳纖維作為加固材料在我國有巨大的應用市場。

    建筑物在使用中不斷受到損傷而影響安全使用，最有效而經濟的方法是對其加固修補。碳纖維復合材料在加固修補混凝土結構中的應用，在國內已經引起重視，并著手研究與開發。國外20 世紀80 年代末開發了碳纖維復合材料加固修補建筑物新技術，并在90年代得到廣泛應用。1994 年日本發生的地震已證明碳纖維復合材料的加固作用。在國內，碳纖維復合材料已在臺灣省地震后的修補和重建中發揮了重要作用。

    使用碳纖維進行加固和修補的方法是：首先用補縫材料填充裂紋，其次用打底樹脂刷在建筑物的表面便于粘勞碳纖維，再次將玻璃纖維-碳纖維混編的網格布或碳纖維于片粘貼在樹脂上，最后用耐老化修補樹脂刷涂。

    應用碳纖維復合材料對建筑補強已經在全球應用。在道路、橋梁等各種建筑物中作為補強材料，對延長建筑物的使用壽命、強化防震能力、降低風險方面具有積極的意義。在新型建筑物中使用碳纖維，可以建造出比以往規模大、高性能的結構物。

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責任編輯：龐雪潔

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