碳纤维复合材料的八大应用领域及技术进展

碳纤维是非常重要的无机高性能纤维,其首个市场化应用是1972年市售的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后,碳纤维应用快速向以航空航天材料为代表的高端化发展。

 

碳纤维最主要的应用形式是作为树脂材料的增强体,所形成的碳纤维增强树脂(CFRP)具有优异的综合性能,其在导弹、空间平台和运载火箭,航空器,先进舰船,轨道交通车辆,电动汽车,卡车,风电叶片,燃料电池,电力电缆,压力容器,铀浓缩超高速离心机,特种管筒,公共基础设施,医疗和工业设备,体育休闲产品,以及时尚生活用具等十六个领域,有着实际和潜在的应用。

 

下文将对上述领域中碳纤维的应用及其技术进展加以综述。

 

 

1
CFRP作为导弹、空间平台和运载火箭的关键材料

 

碳纤维是现代宇航工业的物质基础,具有不可替代性。CFRP被广泛应用于导弹武器、空间平台和运载火箭等航天领域。在导弹武器应用方面,CFRP主要用于制造弹体整流罩、复合支架、仪器舱、诱饵舱和发射筒等主次承力结构部件(图1);在空间平台应用方面,CFRP可确保结构变形小、承载力好、抗辐射、耐老化和空间环境耐受性良好,主要用于制造卫星和空间站的承力筒、蜂窝面板、基板、相机镜筒和抛物面天线等结构部件(图2);在运载火箭应用方面,CFRP主要用于制造箭体整流罩、仪器舱、壳体、级间段、发动机喉衬和喷管等部件(图3)。目前,CFRP在航天器上的应用已日臻成熟,其是实现航天器轻量化、小型化和高性能化不可或缺的关键材料。

 

图1 CFRP在导弹武器上的应用示例

 

图2 CFRP在卫星和空间站上的应用示例

 

图3 CFRP在运载火箭上的应用示例

 

2
CFRP作为航空器的结构材料

 

 

在大型先进飞机中,CFRP被广泛用作主承力结构材料。且在近期研制成功的新型飞艇中,CFRP也被用做结构材料。

 

20世纪70年代中期的石油危机是碳纤维应用于飞机制造的直接原因。为缓解能源危机,当时的美国政府启动了“飞机节能计划”。现代飞机机身采用钢、铝、钛等金属和复合材料制成。为节约燃油和提高运营效益,减轻机身质量一直是飞机设计制造技术中的核心挑战之一。而CFRP在飞机机身制造上的成熟应用为减轻飞机机身质量提供了最有效的途径。例如,以金属材料为主制成的波音767飞机(CFRP用量仅占3%)机身质量为60 t,而将CFRP用量提升到50%时,新型飞机机身质量下降到48 t,仅此就极大地提升了该型飞机的能源和环境效益。

 

正在研制的波音777X型飞机(图4)和最新投产的波音787型飞机,机身复合材料的用量都达到了50%。波音777X型飞机是以波音777飞机为基型,正在开发的一种大型双引擎客机,计划首架飞机于2020年交付投入运营。波音777X飞机的主翼由CFRP制成,其翼展长约72m(235英尺),是目前客机中翼展最长的机型之一。翼展越长,升力越大,因此,波音777X的单座燃油消耗和运营成本都非常有竞争力。此外,CFRP机翼不仅强度高、柔性好,且末端可折叠,这样多数机场都能满足其宽翼展的停机需求。波音787飞机的主翼和机身等主承力结构都采用日本东丽公司的碳纤维预浸料制造。2005年11月,东丽公司与美国波音公司签署了一项为期10年的协议,为波音787梦想号飞机提供碳纤维预浸料。2015年11月9日,东丽公司宣布与美国波音公司达成综合协议,将为波音公司生产的787和777X两型飞机提供碳纤维预浸料。波音公司计划提高787飞机的月产量,将从2015年的10架提高到2016年的12架、2020年的14架;同时,大型模块的比率也将提高,这将极大地促进对CFRP的需求。为保证波音787飞机月产量达12架后的材料供应,东丽复合材料(美国)公司已于2016年1月完成了扩产;同时,日本东丽公司决定在斯帕坦堡县厂区内建设包含原丝、碳纤维和预浸料在内的一体化生产线,设计年产能为2000 t,这是东丽公司首次在美国建设一体化的碳纤维生产线,以用于研发波音777X飞机和满足月产14架波音787飞机的需求。

 

图4 CFRP在大型客机机身及承力结构中的应用

2016年8月17日,英国最新研制的大型飞艇完成了其处女航(图5)。这架飞艇是一种轻于空气的航天器,被设计用来执行侦察、监视、通信、货物与救援物资的运输,以及乘客交通等。该飞艇采用日本可乐丽公司生产的聚芳酯织物作蒙皮,蒙皮内充满了带压氦气;其形状结构材料采用CFRP,最大化地减轻了飞艇自身质量。无人值守的情况下,该飞艇一次可最长在空中漂浮5天。

 

图5 英国最新研制的大型飞艇

 

 

3
CFRP作为先进舰船船体结构

CFRP对提高舰船的结构、能耗和机动性能等非常明显。

 

瑞典在船艇制造技术方面有着传统优势,其夹层复合材料技术居世界一流水平,较早便采用CFRP技术研制军用舰船。2000年6月下水的瑞典海军护卫舰是世界第一艘在舰体结构中采用CFRP的海军舰艇(图6)。该舰长73.0 m、宽10.4 m、吃水深度2.4 m、排水量600 t;舰体采用CFRP夹层结构,具有高强度、高硬度、低质量、耐冲击、低雷达和磁场信号,以及吸收电磁波等优异性能。

 

图6 CFRP在舰船船体结构中的应用

 

由于成本原因,虽船舶中大量使用CFRP还有待时日,但其已实际用于制造民用新概念船艇和军用舰船关键部件。2010年,德国Kockums公司制造了一条几乎全部采用CFRP的新概念太阳能探险船。该船长31.0 m、宽15.0 m,以太阳能为动力。2010年9月27日,瑞典探险家驾驶该船出海,开始环球探险航行(图7)。

 

图7 CFRP在新概念船艇中的应用

 

CFRP还已用于舰船推进器叶片、一体化桅杆和先进水面舰艇上层建筑的制造。

 

低噪声、安静运行是军用舰船领域的一项核心技术,是舰船(特别是潜艇)性能的关键指标。因为螺旋桨高速运转时,其桨叶片上会产生时灭的空泡,导致桨叶剥蚀,并伴有强烈的振动和噪声。CFRP叶片不仅更轻、更薄,还可改善空泡性能、降低振动和水下特性、减少燃油消耗。图8(a)为以色列潜艇所用螺旋桨;图8(b)为CFRP大型货轮螺旋桨。图9为英国罗伊斯罗尔斯公司为班尼蒂游艇生产的CFRP材质的推进器系统。

 

图8 CFRP用于制造潜艇和货轮推进器系统的螺旋桨桨叶

 

图9 CFRP用于制造游艇的推进器系统

 

此外,隐身也是评价军用舰船先进性水平的一项重要指标。提高隐身性能必须减小舰船体的雷达反射截面,并降低其光学特性。在过去,舰船上层建筑上都竖立着多根挂满各种鞭状和条状的天线桅杆,它们极大地阻碍了舰船在探测设备中的隐身能力。1995年,美军开始研究一体式桅杆系统,其将各种天线设计成平面形或球形阵列,并集成于采用能反射电波的复合材料制成的一体式桅杆系统中,可防风雨和盐雾的侵害。且更进一步的是,美军下一代作战舰艇的整个上层建筑都采用复合材料制造。

 

该舰是美国海军的下一代主战舰艇,其集成了当今最尖端的海军舰船技术,舰体造型、电驱动力、指挥控制、情报通信、隐身防护、侦测导航、火力配置等性能均具超越性。特别值得注意的是,该舰上层建筑及内嵌天线系统由美国雷神公司负责设计制造,采用了一体化模块式复合材料结构,质量轻、强度高、耐锈蚀、透波性好,具有极佳的隐身性能,被发现概率低于10%(图10)。

图10 特级驱逐舰及施工中的复合材料上层建筑

 

4
CFRP作为轨道交通车辆的车体结构

轻量化是减少列车运行能耗的一项关键技术。金属制造的轨道列车,虽车体强度高,但质量大、能耗高。以C20FICAS不锈钢地铁列车为例,其每千米能耗约为3.6×107 J(即10 kWh),运行15 万km约消耗540 000 GJ能量;如质量能减少30%,则可节能27,000×30%=8,100 GJ73。

 

CFRP是新一代高速轨道列车车体选材的重点,它不仅可使轨道列车车体轻量化,还可以改进高速运行性能、降低能耗、减轻环境污染、增强安全性。当前,CFRP在轨道车辆领域的应用趋势:从车箱内饰、车内设备等非承载结构零件向车体、构架等承载构件扩展;从裙板、导流罩等零部件向顶盖、司机室、整车车体等大型结构发展;以金属与复合材料混杂结构为主,CFRP用量大幅提高。

 

图11列出了1节地铁列车中间车辆各部分的质量比例,其中车身质量约占36%、车载设备约占29%、内部装饰约占16% 。由于车载设备几乎没有减重空间,因此,车身和内部装饰就成为了轻量化的重点对象。2000年,法国国营铁路公司采用碳纤维复合材料研制出双层 TGV型挂车;韩国铁道科学研究院以此为基础,研制出运行速度为180km/h 的TTX型摆式列车车体,其采用不锈钢增强骨架,侧墙体和顶盖采用铝蜂窝夹芯,蒙皮采用CFRP构成的三明治结构,车体外壳总质量比铝合金结构降低了40%,且车体强度、疲劳强度、防火安全性、动态特性等性能良好,并于2010年投入商业化运营(图12)。

图11 地铁列车中间车辆各部分的质量比例

 

图12 TTX型摆式列车车体

 

2011年,韩国铁道科学研究院(KRRI)研制出CFRP地铁转向架构架,质量为 635 kg,比钢质构架的质量减少约30%。日本铁道综合技术研究所(JRTI)与东日本客运铁道公司联合研制的CFRP高速列车车顶,使每节车箱减轻300~500 kg。2014 年9月,日本川崎重工(Kawasaki)研制的 CFRP 构架边梁,其质量比金属梁减少约40%。

 

 

5
CFRP作为电动汽车的车体结构

材料系统实验室关于材料对汽车轻量化和降低生产成本的研究表明,汽车质量每减轻10%,油耗可降低6%。现有材料中,CFRP的轻量化效果最好;加之,汽车设计和复合材料技术的快速发展。这些都使得CFRP在汽车制造领域的应用速度远远超出人们的预期。

 

某型号车的推出引领了这一潮流。2008年在慕尼黑召开会议,目的是让城市交通技术发生彻底的变革,其建立了一个“i计划(Project i)”的智库,唯一的任务就是“忘掉以前所做的一切,重新思考一切”。2009年,该智库形成了一个全新的节能概念——“有效动力愿景”,奠定了公司后续研究的思想基础,它要求对车身和驱动系统进行专门的设计,以达到全新的节能性,而此前的想法都是将已有的节能技术集成到既有的模板中。2011年,公司确立了“天生电动,其让人们在日常驾驶出行中用上了全电动能源;同年,第一款全电动概念车实现技术演示。2012年,兼具高能效和更优异运动跑车性能的概念车推出,其采用CFRP、铝和钛等轻质材料,实现了突破意义的减重;同年,全新电驱动系统推出,实现了零排放。推出新型车,该车整车质量仅1 245kg,一次充电续航里程可达200 km,且百公里加速时间7.3 s,灵活性独特。

 

图13 未来互动愿景概念车

 

其中,采用“LifeDrive”模块化车身架构设计,由乘员座舱(Life)模块和底盘驱动(Drive)模块两部分组成。乘员座舱模块又称生命模块(图14),其构成驾乘人员的乘用空间,采用CFRP制成的生命模块,质量轻、安全性非常高,且乘用感宽敞、均称。底盘驱动模块又称eDrive驱动系统,其结构由铝合金制成,集成了电机(最大功率125 kW,最大扭矩250 N·m)、电池和燃油发动机等动力部件。

图14 车体上部的生命模块

 

公司通过与SGL汽车用碳纤维材料公司合作,历经10多年研发,开始生产自己所需的碳纤维。其新型车中生命模块的制造工艺:将碳纤维织成织物后浸润于专用树脂中,制成预浸料;将预浸料热定型成刚性车身零件;采用专门开发的技术,将车身零件全自动地黏合成完整的车身部件(图15)。所得CFRP车身具备极高的抗压强度,能承受更快的加速度,整车的敏捷性和路感都非常好。

图15 CFRP车体制造工艺

 

 

6
CFRP作为新概念货运卡车的车体结构

世界零售业巨头沃尔玛公司在美国拥有1支由近6000辆货车组成的卡车车队,它们会将产品送至遍布于美国的数千家门店。该车队为保持持续的生存能力和效率,一直以“行驶里程更少,运输量更多”为目标,依靠提高司机驾驶技术、采用先进牵引挂车、改进过程与系统筹划等措施,实现2007—2015年间车队行驶超480万km,运送集装箱数超8亿,运输效率较2005年提高84.2%。

 

其中,牵引挂车的性能对实现“多拉少跑”的目标关系重大,故沃尔玛公司投入巨资开展“先进车辆体验”的新概念卡车研究计划。已研制的新概念卡车集成了空气动力学、微型涡轮混合动力驱动系统、电气化、先进控制系统,以及CFRP车体等前沿技术。主要技术创新:先进的空气动力学设计,整体造型优雅,气动性能较现行的386型卡车提高20%;微型涡轮混合电力驱动系统清洁、高效、节油;司机座位设计于驾驶室中央,具有180°的视野;电子仪表盘可提供定制化的量程和性能数据 ;滑动型车门和折叠型台阶提高了安全和安保性能;空间宽敞的驾驶室设有带折叠床的可伸缩卧室。牵引挂车的整个车身采用CFRP制成,顶部和侧墙均采用16.2 m(53英尺)长的单块板材,其优异的力学性能可确保车体的结构强度;采用先进黏结剂黏合,最大限度地减少了铆钉数量;凸鼻形的造型设计可在充分保证载货容量的前提下,有效提高气动性能;低剖面LED灯光更节能、耐用(图16)。

 

图16 新概念卡车

 

目前,该计划已完成84%的任务量,但仍有许多创新性技术有待继续研发。可以预见,沃尔玛公司的新概念卡车对推进卡车技术的进步和拓展碳纤维的应用,有非常大的作用。

 

 

7
CFRP作为风电叶片的增强结构

风能是最具成本优势的可再生能源,风能发电在近10年来已取得飞速发展。

 

为提高风力发电机的风能转换效率,增大单机容量和减轻单位千瓦质量是关键。20世纪90年代初期,风电机组单机容量仅为500 kW,而如今,单机容量10 MW的海上风力发电机组都已产品化。风电叶片是风电机组中有效捕获风能的关键部件,叶片长度随风电机组单机容量的提高而不断增长。根据顶旋理论,为获得更大的发电能力,风力发电机需安装更大的叶片。因叶片长度的问题,业界就是否需发展10 MW及以上能力的风力发电机存有争议,但主流观点是需要发展的。相关人员认为:面积与体积的关系的科学定律将最终限制叶轮直径的不断增长,但目前还未达到极限,制造10 MW风力发电机在技术上是可行的;且从运营效益上看,降低每兆瓦时的运营成本,必须提高风力发电机的容量(图17)。

图17 叶片直径的增长过程

 

叶轮直径的增加对叶片的质量及抗拉强力提出了更轻、更高的要求。CFRP是制造大型叶片的关键材料,其可弥补玻璃纤维复合材料(GFRP)的性能不足。但长期以来,出于成本因素,CFRP在叶片制造中只被用于樑帽、叶根、叶尖和蒙皮等关键部位。近年,随着碳纤维价格稳中有降,加之叶片长度进一步加长,CFRP的应用部位增加,用量也有较大提升。2014年,成功研制出国内最长的6 MW风机叶片,该叶片全长77.7 m、质量28 t,其中主梁由5 t的国产CFRP制成。如采用GFRP设计,则该叶片质量将约达36 t(图18)。

 

图18 6 MW风机叶片加工与试验现场

 

8
碳纤维纸作为燃料电池的电极气体扩散材料

燃料电池是指不经过燃烧,直接将化学能转化为电能的一种装置。燃料电池在等温条件下工作,其利用电化学反应,将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,是一种备受瞩目的清洁能源技术,转化效率非常高(除10%的能量以废热形式浪费外,其余的90%都转化成了可利用的热能和电能)且环境友好;而相较之下,使用煤、天然气和石油等化石燃料发电时,60%的能量以废热的形式浪费,还有7%的电能浪费在传输和分配过程中,只有约33%的电能可以真正用到用电设备上(图19)。

 

图19 燃料电池与化石燃料发电利用率的比较

 

各类燃料电池中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)的功率密度大、能量转换率高、低温启动性最好,且体积小、便携性好,是理想的汽车用电源。质子交换膜燃料电池由阴极、电解质和阳极这3个主要部分组成,其工作原理:

 

(1)阴极将液氢分子电离。液氢流入阴极时,阴极上的催化剂层将液氢分子电离成质子(氢离子)和电子。

 

(2)氢离子通过电解质。位于中央区域的电解质允许质子通过到达阳极。

 

(3)电子通过外部电路。由于电子不能通过电解质,只能通过外部电路,故而形成了电流。

 

(4)阳极将液氧电离。液氧通过阳极时,阳极上的催化剂层将液氧分子电离成氧离子和电子,并与氢离子结合生成纯水和热;阳极接受电离所产生的电子(图20)。可将多个质子交换膜燃料电池连接起来组成燃料电池组,可提高电能的输出量。

图20燃料电池工作机理

 

美国联合技术公司是全球军民用燃料电池产品技术的领先企业。联合技术动力公司原是一个业务部门,其产品广泛用于航天器、潜艇、建筑、公交巴士和家用汽车等领域。20世纪90年代早期,公司便已制造出大型固定式燃料电池电站,并投入商业化运行。此后10多年,公司都在致力于公交巴士和家用汽车用燃料电池技术的研发。

 

2008年以来,由于突破了成本和寿命等技术瓶颈,燃料电池的商业化应用取得实质性进展。美国巴拉德动力公司研制生产的FCveloCity®型燃料电池,是专为公交巴士和轻轨研制的第七代可扩展式模块化燃料电池,使用该燃料电池可组成30~200 kW的电源。2015年6月上市的85kW级的FCveloCity®型燃料电池,主要用于电动公交巴士(图21和图22)。

图21 85kW级的FCveloCity®型燃料电池

图22 模块化燃料电池的应用示例

 

碳纤维纸作为一种高性能复合材料,是制造燃料电池质子交换膜电极中气体扩散层必不可少的多孔扩散材料(图23)。气体扩散层(GDL)构成气体从流动槽扩散到催化剂层的通道,是燃料电池的心脏,是膜电极组(MEA)中非常重要的支撑材料,其主要功能是作为连接膜电极组和石墨板的桥梁。气体扩散层可帮助催化剂层外部生成的副产品——水尽快流走,避免积水造成溢流;还可帮助在膜的表面保持一定水份,确保膜的导电率;燃料电池运行过程中,帮助维持热传导;此外,提供足够的力学强度,在吸水扩展时保持膜电极组的结构稳定性(表2)。

 

图23燃料电池用碳纤纸、碳纤布和碳纤板

 

表2 CE-Tech公司生产的燃料电池用部分碳纤维纸牌号及性能指标

 

在质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池中,同时使用碳纤维纸和碳纤维布作为气体扩散层的综合效果更好。每辆燃料电池电动汽车约需消耗碳纤维纸100 m2(即8 kg)。

 

法国阿尔斯通公司发布了其最新研制的全球首辆液氢燃料电池电动火车。该车属阿尔斯通公司的区域型列车,最新发布的液氢燃料电池电动火车全部采用成熟技术研制,车顶装有氢燃料电池,乘客舱底部装有锂电池、变流器和电动机,它将开辟燃料电池更大的应用市场空间,促进碳纤维纸技术的进一步发展(图24)。

 

图24 全球首创的氢燃料电池动力火车

(来源:复材指闻)