碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展(一)

周 宏

军委后勤保障部军需装备研究所，北京 100082

碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展(一)

周 宏

军委后勤保障部军需装备研究所，北京 100082

对碳纤维在导弹、空间平台和运载火箭，航空器，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，体育休闲产品及时尚生活用具等十六个主要领域的应用，以及其近期的技术进展，进行较为全面的综述。

碳纤维， 碳纤维增强树脂， 应用

碳纤维是最重要的无机高性能纤维，这点是由其材料本性、产业技术复杂性、应用领域重要性和市场规模性等因素决定的，其首个市场化应用是1972年市售的碳纤维增强树脂钓鱼竿[1]。此后，碳纤维的应用快速地向以航空航天器主结构材料为代表的高端化方向发展。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，在导弹、空间平台和运载火箭，航空器，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近期的技术进展加以综述。

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、空间平台和运载火箭等航天领域。在导弹应用方面，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、承载力大、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)[2]。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在导弹上的应用示例

图2 CFRP在空间平台上的应用示例

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。在近期研制成功的新型飞艇中，CFRP也被用作结构材料。

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(Aircraft Energy Efficiency Program)”[3]。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，新型波音767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[4]。

正在研制的波音777X飞机和最新投产的波音787飞机，机身复合材料的用量都达到了50%[5]。波音777X飞机是波音公司以波音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年交付并投入运营。波音777X飞机(图4)的主翼由CFRP制成，其翼展长约71.6 m(235.0英尺)，是目前客机中翼展最长的机型之一。翼展越长则升力越大，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，这样多数机场能满足其宽翼展的停机需求[6]。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(Toray Industries, Inc.)的TORAYCA®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(Boeing 787 Dreamliner)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两型飞机提供价值约110亿美元的碳纤维预浸料。波音公司计划提高787飞机的年产量，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，位于美国华盛顿州塔科马市(Tacoma，Washington)的东丽复合材料(美国)公司[Toray Composites(America), Inc.]已经于2016年1月完成扩产；同时，日本东丽公司决定投资约4.7亿美元，在其收购的斯帕坦堡县(Spartanburg County, South Carolina)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，设计年产量为2 000 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[7]。

图4 CFRP在大型客机宽翼展机翼中的应用

2016年8月17日，英国最新研制的“空中之恋10号(Airlander 10)”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，被设计用于执行侦察、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(Kuraray)公司生产的聚芳酯(Vectran)织物做蒙皮，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。在无人值守的情况下，该飞艇在空中一次最长可漂浮5 d[8]。

图5 英国最新研制的“空中之恋10号(Airlander 10)”大型飞艇

3 CFRP作为先进舰船的船体结构

CFRP对提高舰船的结构、能耗和机动性能等作用非常明显。

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月下水的瑞典海军维斯比号护卫舰(Stealth Visby)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，以及能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，CFRP在船舶中大量使用还有待时日，但其已实际用于制造民用新概念船艇和军用舰船的关键部件。2010年，德国Kockums公司为瑞典探险家制造了一艘几乎全部采用CFRP的新概念太阳能探险船——TuANor PlanetSolar。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Raphael Domjan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、减少燃油消耗。图8(a)为以色列Deadliest号潜艇所用螺旋桨；图8(b)为日本中岛推进器有限责任公司(Nakashima Propeller Co., Ltd.)研制生产的CFRP大型货轮螺旋桨，它已于2014年5月安装在太鼓丸号(Taiko Maru)化学品货轮上。图9为英国罗伊斯罗尔斯公司(Rolls-Royce plc)为班尼蒂(Benetti)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，隐身性能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将采用复合材料制造。2016年10月15日，美国海军举行了其首艘朱姆沃尔特级驱逐舰(Zumwalt-class Destroyer)的入列仪式。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(Raytheon)负责设计、制造，采用了一体化模块式复合材料结构(Integrated Composite Deckhouse and Assembly，简称IDHA)，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)[9]。

图10 朱姆沃尔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。由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，其运行15 万km约消耗540 000 GJ能量，按其中的5%(即27 000 GJ)用于克服车体的承载结构质量计算，如列车质量能减少30%，则可节能27 000 GJ×30%=8 100 GJ[10]73。

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，还可改进高速运行性能、降低能耗、减轻环境污染、增强安全性[11]。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，大幅提高CFRP用量。

图11列出了1节地铁列车中间车辆各部分的质量比，其中车体车身约占36%、车载设备约占29%、内部装饰约占16%[10]73。由于车载设备几乎没有减重空间，因此，车体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(SNCF)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(KRRI)以此为基础，研制出运行速度为180 km/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，这样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，已于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

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，其质量为635 kg，比钢质构架的质量减少约30%。由日本铁道综合技术研究所(JRTI)与东日本客运铁道公司(East Japan Railway Company)联合研制的CFRP高速列车车顶，每节车箱质量减少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%。

(未完待续)

[1] MATSUI J. Carbon fibers, Part 6: Industrialization of carbon fibers[J]. Reinforced Plastics, 1998,44(1):31.

[2] 程卫平.聚丙烯腈基碳纤维在航天领域应用及发展[J].宇航材料工艺，2015，45(6)：13.

[3] MORIYUKI O. Toray’s business strategy for carbon fiber composite materials[R/OL]. [2012-09-21]. http://www.toray.com/ir/pdf/lib/lib_a136.pdf.

[4] MARK D B. The “Appolo” of aeronautics-NASA’s aircraft energy efficiency program(1973-1987)[R], National Aeronautics and Space Administration, 2010:44-92.

[5] Aircraft recycling[EB/OL]. [2015-06-03]. http://www.boeing.com/resources/boeingdotcom/principles/environment/pdf/ecoMagazine.pdf.

[6] Ultra-efficient folding wings[EB/OL]. [2015-11-19]. http://www.popsci.com/best-of-whats-new-2015/aerospace.

[7] Toray extends comprehensive agreement with Boeing to supply carbon fiber TORAYCA®prepreg[EB/OL]. [2015-11-09]. http://www.toray.com/ir/news/2015/index.html.

[8] Airlander 10 completes first flight[EB/OL]. [2016-08-18]. http://www.compositesworld.com/news/airlander-10-completes-first-flight-.

[9] Construction of USS Zumwalt reaches milestone [EB/OL].[2012-12-20]. http://lexingtoninstitute.org/construction-of-uss-zumwalt-reaches-milestone/?a=1&c=1171.

[10] 刘晓波，杨颖.碳纤维增强复合材料在轨道车辆中的应用[J].电力机车与城轨车辆,2015,38(4).

[11] “十三五”开端我国碳纤维材料已获突破性进展[EB/OL]. [2016-06-17]. http://www.cnbxfc.net/news/1_echo.php?id=68678.

Sixteen main application areas and recent technical progress for the carbon fiber：Part 1

ZhouHong

Quartermaster Research Institute of PLA, Beijing 100082, China

The application in sixteen main areas, which included missile, space platform and carrier rocket, airplane, ship, railway vehicle, electric car, truck, wind blade, fuel cell, power cable, pressure vessel, ultra-high speed centrifugefor uranium enrichment, special barrel, public infrastructure, medical and industrial equipment, sports recreation supply, lifestyle appliance, and the technical progress of the carbon fibers in recent years, were fully reviewed.

carbon fiber, carbon fiber reinforced plastics (CFRP), application

*2016年度国家出版基金(2016T -008)

2016-09-28

周宏，男，1963年生，教授级高级工程师，长期致力于对位芳纶基单兵作战防护装备技术研究，以及国产高性能纤维技术发展战略研究

TQ327.3, TS102.4

A

1004-7093-(2017)01-0001-06