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【复材资讯】碳纤维复合材料的十六个主要应用领域及技术进展(下)

2020-12-19 07:00

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

09 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。

图25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。

图25 钢芯铝导线和CFRP芯铝导线的截面对比

10 CFRP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。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。（图26）

图26 燃料电池电动汽车用CFRP增强液氢储罐

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（图27）。

图27 铀浓缩气体离心机的工作原理及现场图

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。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。

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（图28）。

图28 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1991m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（图29）。

图29 特大跨度悬索桥钢质主缆

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（图30）。

图30 CFRP在建筑与民用工程中的补强应用

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（图31）。

图31 CFRP在医疗器械中的应用示例

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（图32）。

图32 CFRP在工业设备部件中的应用示例

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）。

图33 CFRP在体育休闲用品中的应用示例

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。