碳纖維的十六個主要應用領域及近期技術進展(二)*

周 宏

軍委后勤保障部軍需裝備研究所，北京100082

碳纖維的十六個主要應用領域及近期技術進展(二)*

周 宏

軍委后勤保障部軍需裝備研究所，北京100082

(上接2017年第1期第6頁)

5 CFRP作為電動汽車的車體結構材料

英國材料系統實驗室關于材料對汽車輕量化和降低生產成本的研究表明，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[12]，加之汽車設計和復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。

BMW公司BMW i型車的推出引領了這一潮流。2008年，BMW公司在慕尼黑召開會議，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——“BMW有效動力愿景(BMW Vision Efficient Dynamics)”，奠定了BMW公司后續研究的思想基礎，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，而此前的想法都是將已有的節能技術集成到既有的模板中。2011年，BMW公司確立了“天生電動(Born Electric)”技術，創立了BMW i品牌，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BMW i3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BMW i8概念車推出，其采用CFRP、鋁和鈦等輕質材料，實現了突破意義的減重；同年，全新BMW i3電驅動系統(eDrive Propulsion System)推出，實現了零排放。2013年，BMW i3實現量產。2014年，BMW i8實現量產。2016年，BMW公司在美國拉斯維加斯消費電子展上推出BMW i 未來互動愿景(BMW i Vision Future Interaction)概念車(圖13)；同時推出BMW i3(94Ah)型新車，該車整車質量僅1 245 kg，一次充電續航里程可達200 km，且百公里加速時間7.3 s，靈活性獨特[13]。

圖13 BMW i 未來互動愿景概念車

BMW i3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2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、舒適。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 BMW i3車體上部的生命模塊

BMW公司通過與SGL汽車用碳纖維材料(SGL Automotive Carbon Fibers)公司合作，歷經10多年研發，開始生產自己所需的碳纖維。BMW i3型車中生命模塊的制造工藝：將碳纖維織成織物后浸潤于專用樹脂中，制成預浸料；將預浸料熱定型成剛性車身零件；采用專門開發的技術，將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 生命模塊的制造工藝(BMW公司)

6 CFRP作為新概念貨運卡車的車體結構材料

世界零售業巨頭沃爾瑪(Walmart)公司在28個國家的63個區域擁有約11 500家門店。其在美國擁有1支由近6 000輛貨車組成的卡車車隊，由它們將產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“行駛里程更少，運輸量更多”為目標，依靠提高司機駕駛技術、采用先進牽引掛車、改進過程與系統籌劃等措施，實現2007—2015年間車隊運送集裝箱數超8億，行駛里程超480萬km，運輸效率較2005年提高84.2%。

其中，牽引掛車的性能對實現“多拉少跑”的目標關系重大，故沃爾瑪公司投入巨資開展“沃爾瑪先進車輛體驗(The Walmart Advanced Vehicle Experience)”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Model 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；司機座位設計位于駕駛室中央，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臺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臥室。牽引掛車的整個車身采用CFRP制成，頂部和側墻均采用長度為16.2 m(即53英尺)的單塊板材，其優異的力學性能可確保車體的結構強度；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[14-15](圖16)。

圖16 新概念卡車(沃爾瑪公司)

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。

7 CFRP作為風電葉片的增強結構材料

風能是最具成本優勢的可再生能源，風能發電在近10年已取得飛速發展。截至2016年5月，全球風電裝機容量已近427 052 MW(表1)。并據預測，2020年前，全球新增風電裝機容量將按25%的年增長率遞增；到2020年，風力發電量將占世界總發電量的11.81%[16]。

表1 全球風電裝機容量(截至2016年5月)

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產品化。風電葉片是風電機組中有效捕獲風能的關鍵部件，葉片長度隨風電機組單機容量的提高而不斷增長(圖17)。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[17]26,[18]。1990年，葉輪直徑(葉輪直徑≈2×葉片長度+聯軸器直徑)為25.0 m；2010年，葉輪直徑已達120.0 m。2011年，Kaj Lindvig預測海上風機的葉輪直徑2015年 將達到135.0 m，2020年將達到160.0 m。但這一預測很快就被突破，美國超導(American Superconductor)公司2016年投入市場銷售的10 MW海上風力發電機的葉輪直徑就已達190.0 m[19]。但因葉片長度的問題，業界就是否需發展10 MW及以上能力的風力發電機存有爭議，但主流觀點是需要發展的。西門子風電(Siemens Wind Power)公司首席技術官認為，面積與體積的關系的科學定律將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[20]。

圖17 葉輪直徑的增長

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，其可彌補玻璃纖維復合材料(GFRP)的性能不足。但長期以來，出于成本因素，CFRP在葉片制造中只被用于樑帽、葉根、葉尖和蒙皮等關鍵部位。近年，隨著碳纖維價格穩中有降，加之葉片長度進一步增加，CFRP的應用部位增加，用量也有較大提升[17]25-29。2014年，中材科技風電葉片股份有限公司成功研制出國內最長的6 MW風機葉片，該葉片長度77.7 m、質量28 t，其中主梁由5 t的國產CFRP制成。如采用GFRP設計，則該葉片質量將約達36 t(圖18)。

圖18 6 MW風機葉片加工與試驗現場 (中材科技風電葉片股份有限公司)

8 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，直接將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，其利用電化學反應將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，轉化效率非常高(除10%的能量以廢熱形式浪費外，其余90%的能量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配送過程中，只有約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

圖20 燃料電池工作機理

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、電解液和陽極這3個主要部分組成，其工作機理(圖20)：

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

(2) 氫離子通過電解液。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，只能通過外部電路，故而形成了電流。

(4) 陽極將液氧電離。液氧通過陽極時，陽極上的催化劑層將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；陽極接受電離所產生的電子。

可將多個質子交換膜燃料電池連接起來組成燃料電池組，提高電能的輸出量。

美國聯合技術(United Technologies)公司是全球軍民用燃料電池產品技術的領先企業。聯合技術動力(UTC Power)公司原是United Technologies公司的一個業務部門，其產品廣泛用于航天器、潛艇、建筑、公交巴士和家用汽車等領域。20世紀90年代早期，UTC Power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。此后10多年，UTC Power公司都在致力于公交巴士和家用汽車用燃料電池技術的研發。2005年12月，UTC Power公司研制的燃料電池在混合動力公交車上投入使用，由千棕櫚陽光車道運輸(SunLine Transit)公司在美國加利福尼亞州的千棕櫚鎮(Thousand Palms，CA)投入商業試運營[21]。

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[23]。美國巴拉德動力(Ballard Power Systems)公司研制生產的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85 kW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 85 kW級的FCveloCity型燃料電池(巴拉德動力公司)

圖22 模塊化燃料電池的應用(巴拉德動力公司)

碳纖維紙作為一種高性能的復合材料，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，是燃料電池的心臟，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板的橋梁。氣體擴散層可以幫助催化劑層外部生成的副產品—— 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分，確保膜的導電率；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)[22-24]。

圖23 燃料電池用碳纖維紙、碳纖維布和碳纖維板(CE-Tech公司)

表2 CE-Tech公司生產的燃料電池用部分碳纖維紙牌號及性能指標

注： N1S1007是第二代碳基材料，具有更好的性能

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)[25]。

在2016年9月23—26日召開的全球鐵路裝備交易會上，法國阿爾斯通(Alstom)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Coradia iLint系列的區域型列車，是根據2014年與德國下薩克森州(German Landers of Lower Saxony)、北萊茵威斯特伐利亞州(North Rhine-Westphalia)、巴登符騰堡州(Baden-Württemberg)及黑森州(Public Transportation Authorities of Hesse)的公共交通部門簽訂的一項內部意向而研發的新一代零排放燃料電池動力火車。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，乘客艙底部裝有鋰電池、變流器和電動機[26]，它將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(阿爾斯通公司)(未完待續)

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Sixteen main application areas and recent technical progress for the carbon fiber: Part 2

ZhouHong

Quartermaster Research Institute of PLA, Beijing 100082, China

*2016年度國家出版基金支持(2016T-008)

2016-09-28

周宏，男，1963年生，教授級高級工程師，長期致力于對位芳綸基單兵作戰防護裝備技術研究工作，以及國產高性能纖維技術發展戰略研究

TQ327.3， TS102.4

A

1004-7093(2017)03-0001-06