碳纖維的十六個主要應(yīng)用領(lǐng)域及近期技術(shù)進(jìn)展(三)*

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(yīng)用領(lǐng)域及近期技術(shù)進(jìn)展(三)*

周 宏

軍委后勤保障部軍需裝備研究所，北京100082

ZhouHong

(上接2017年第3期第6頁)

9 CFRP作為電力電纜的芯材

電能是生產(chǎn)、生活必需的一種常備能源，其在從發(fā)電廠輸送至用電場所的過程中，存在著嚴(yán)重的線損問題。線損即指輸電、變電、配電等電力輸送環(huán)節(jié)產(chǎn)生的電能耗損[27]。

提高架空線中傳輸?shù)碾娏鲿斐呻娎|發(fā)熱。若此時電纜材質(zhì)耐熱性能差，則電纜的承載力下降，進(jìn)而產(chǎn)生弧垂。而弧垂既是一個重要的線損源，又是限制架空線提高傳輸容量的一項(xiàng)主要因素。

鋼芯鋁導(dǎo)線中的增強(qiáng)鋼芯受熱即產(chǎn)生弧垂，超過70.000 ℃時弧垂使電纜嚴(yán)重下垂，更有可能與鄰近物體接觸導(dǎo)致短路，甚至落至地面危及人員生命與安全。由弧垂引發(fā)的短路會使鄰近的架空線和變壓器瞬間過載，引起災(zāi)難性故障。自承式鋁絞線雖能允許短暫的、較高的運(yùn)行溫度(150.000 ℃)，但也無法避免弧垂的產(chǎn)生[28]。

復(fù)合材料芯鋁導(dǎo)線(ACCC)以復(fù)合材料芯替代金屬芯，為解決架空線弧垂問題開辟了更有效的技術(shù)途徑。2002年，基于ACCC專利技術(shù)，全球供配電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)——美國CTC Global公司展開了產(chǎn)品的研發(fā)。當(dāng)時的開發(fā)目標(biāo)是，在不對現(xiàn)有架空線承載塔架做任何變動且不增加現(xiàn)行導(dǎo)線的質(zhì)量或直徑的前提下，開發(fā)CFRP芯鋁導(dǎo)線，降低熱弧垂、增大塔架距離、增加承載電流、減少線損、提高供電網(wǎng)絡(luò)可靠性等。2005年，該公司首次推出商業(yè)化的ACCC產(chǎn)品，所研制的CFRP芯鋁導(dǎo)線的強(qiáng)度是相同質(zhì)量鋼芯鋁導(dǎo)線的2倍、傳輸?shù)碾娏魅萘渴瞧渌静匿X導(dǎo)線的2倍、線損較其他芯材鋁導(dǎo)線降低了25%～40%，其高容、高效和低弧垂等性能遠(yuǎn)超越了其他芯材鋁導(dǎo)線。

圖25 鋼芯鋁導(dǎo)線和CFRP芯鋁導(dǎo)線的截面對比

圖25為相同直徑鋁導(dǎo)線的截面對比，其中，鋼芯的直徑明顯大于CFRP芯的直徑，這使得CFRP芯鋁導(dǎo)線可容納更多的鋁導(dǎo)線，故CFRP芯鋁導(dǎo)線的抗損能力提高[29]。

10 CFRP作為壓力容器的纏繞增強(qiáng)材料

高壓容器主要用于航空航天器、艦船、車輛等運(yùn)載工具所需氣態(tài)或液態(tài)燃料的儲存，以及消防員、潛水員用正壓式空氣呼吸器中氣體的存儲。為能在有限空間內(nèi)盡可能多地存儲氣體，需對氣體進(jìn)行加壓，因此，需對容器進(jìn)行增強(qiáng)，提高容器的承壓能力，以確保安全。

20世紀(jì)40年代，美國開始武器系統(tǒng)用復(fù)合材料增強(qiáng)高壓容器的研究。1946年，美國研制出纖維纏繞壓力容器。20世紀(jì)60年代，北極星和土星等型號的固體火箭發(fā)動機(jī)殼體上采用了纖維纏繞技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強(qiáng)。1975年，美國開始研制輕質(zhì)復(fù)合材料高壓氣瓶，采用S- 玻纖/環(huán)氧、對位芳綸/環(huán)氧纏繞技術(shù)，制造復(fù)合材料增強(qiáng)壓力容器。

后來，科學(xué)家們紛紛研制出由玻璃纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸和PBO纖維等增強(qiáng)的多種先進(jìn)復(fù)合材料(表3)。其中，對位芳綸曾大量用于各種航空航天器用壓力容器的纏繞增強(qiáng)，后逐漸被碳纖維所取代[30]37，[31]47。20世紀(jì)70年代，纖維纏繞金屬內(nèi)襯輕質(zhì)壓力容器被大量用于航天器和武器的動力系統(tǒng)中。20世紀(jì)80年代，碳纖維增強(qiáng)無縫鋁合金內(nèi)襯壓力容器出現(xiàn)，其使復(fù)合材料增強(qiáng)壓力容器的制造費(fèi)用更低、質(zhì)量更輕、可靠性更高。

表3 復(fù)合材料增強(qiáng)壓力容器中纏繞增強(qiáng)用高性能纖維的性能對比

復(fù)合材料增強(qiáng)壓力容器具有破裂前先泄漏的疲勞失效模式，提高了安全性。因此，全纏繞復(fù)合材料高壓容器已在衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈等航天器中廣泛使用。阿波羅(Appolo)登月飛船曾使用的鈦合金球形氦氣瓶，其容積92 L、爆破壓力≥47 MPa、質(zhì)量26.8 kg。標(biāo)準(zhǔn)航空航天用鋼內(nèi)襯復(fù)合氦氣瓶質(zhì)量20.4 kg，鋁內(nèi)襯復(fù)合氦氣瓶質(zhì)量11.4 kg，無內(nèi)襯復(fù)合氦氣瓶質(zhì)量僅6.8 kg(相較于鈦合金球形氦氣瓶質(zhì)量減少了75%)[30]37。

高性能纖維是全纏繞纖維增強(qiáng)壓力容器的主要增強(qiáng)體。通過對高性能纖維的含量、張力、纏繞軌跡等進(jìn)行設(shè)計和控制，可充分發(fā)揮高性能纖維的性能，確保復(fù)合材料增強(qiáng)壓力容器性能均一、穩(wěn)定，爆破壓力離散度小。車用高壓Ш型氫氣瓶(金屬內(nèi)膽全纏繞)的材料成本中，近70%為增強(qiáng)纖維，其余約30%為內(nèi)膽和其他材料[31]47。

20世紀(jì)30年代，意大利率先將天然氣用作汽車燃料。早期車用氣均使用鋼質(zhì)氣瓶，其厚重問題始終限制著鋼質(zhì)氣瓶的擴(kuò)大應(yīng)用。20世紀(jì)80年代初，玻璃纖維環(huán)向增強(qiáng)鋁(或鋼)內(nèi)膽的復(fù)合氣瓶誕生。由于環(huán)向增強(qiáng)復(fù)合氣瓶的軸向強(qiáng)度欠佳，故其金屬內(nèi)膽依然較厚。為解決此問題，同時對環(huán)向和軸向進(jìn)行增強(qiáng)的全纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合氣瓶應(yīng)運(yùn)而生，金屬內(nèi)膽的厚度大幅減薄、質(zhì)量顯著減小。20世紀(jì)90年代，以塑料作為內(nèi)膽的復(fù)合氣瓶出現(xiàn)。如今，在新能源汽車領(lǐng)域，燃料電池動力汽車用高壓儲氫氣瓶可承受的壓力已達(dá)到70 MPa(圖26)。

圖26 燃料電池動力汽車用CFRP增強(qiáng)液氫儲罐

11 CFRP作為鈾濃縮超高速離心機(jī)的高速轉(zhuǎn)子材料

民用核電反應(yīng)堆燃料組件中，二氧化鈾中鈾235的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%～5.0%，而在制造核彈所需的核燃料中，鈾235的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少要在90.0%以上。

天然鈾礦石的主要成分是鈾238，鈾235的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.7%。工業(yè)上常采用氣體擴(kuò)散法進(jìn)行鈾濃縮，盡管該方法投資大、耗能高，但卻是目前唯一可行的方法。鈾235和鈾238的六氟化鈾氣態(tài)化合物，兩者分子質(zhì)量相差不到百分之一。加壓分離時，這不到百分之一的分子質(zhì)量差會促使鈾235的六氟化鈾氣態(tài)化合物能以稍快的速度通過多孔隔膜。每通過1次多孔隔膜，鈾235的含量就會稍有增加，但增量十分微小。因此，為獲得高純度鈾235，需讓六氟化鈾氣體數(shù)千次地通過多孔隔膜。工業(yè)加工就是讓六氟化鈾氣體反復(fù)地通過級聯(lián)的多臺離心機(jī)，實(shí)現(xiàn)對鈾235的濃縮(圖27)。

圖27 鈾濃縮氣體離心機(jī)的工作原理及現(xiàn)場照片

鈾濃縮氣體離心機(jī)技術(shù)是核燃料生產(chǎn)的關(guān)鍵，是衡量核技術(shù)水平的重要標(biāo)志。鈾濃縮氣體離心機(jī)具有高真空、高轉(zhuǎn)速、強(qiáng)腐蝕、高馬赫數(shù)、長壽命、不可維修等特點(diǎn)，其研制涉及機(jī)械、電氣、力學(xué)、材料學(xué)、空氣動力學(xué)、流體力學(xué)、計算機(jī)應(yīng)用等多學(xué)科的理論和技術(shù)，難度非常大[32]。 離心機(jī)中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與氣體分離效率直接相關(guān)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，氣體分離效率也越高。因此，確保轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在60 000 r/min以上，是鈾濃縮氣體離心機(jī)最基本的性能要求[33]，但如此高的轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)子的材質(zhì)提出了非常苛刻的要求。金屬材質(zhì)的轉(zhuǎn)子根本無法達(dá)到如此高的轉(zhuǎn)速，因?yàn)樗鼰o法跨越共振頻率，金屬材質(zhì)的轉(zhuǎn)子一旦達(dá)到共振頻率便會碎裂；而CFRP材質(zhì)的轉(zhuǎn)子則不存在這一問題，其可耐受更高的轉(zhuǎn)速。故早在20世紀(jì)80年代，CFRP就已被用于制造鈾濃縮氣體離心機(jī)的高速轉(zhuǎn)子。且隨著CFRP技術(shù)的進(jìn)步，CFRP材質(zhì)的轉(zhuǎn)子可耐受更高的轉(zhuǎn)速，鈾濃縮效率大幅提升。

鑒于其在鈾濃縮生產(chǎn)中的重要作用，CFRP高速轉(zhuǎn)子技術(shù)和產(chǎn)品被嚴(yán)禁流入非核國家。

12 CFRP作為特種管筒的增強(qiáng)材料

與壓力容器長時間持續(xù)耐壓不同，槍管、炮管、液壓作動筒等特種管筒需在較長時間內(nèi)高頻次地承受和釋放高壓。由碳纖維纏繞或預(yù)浸料包覆增強(qiáng)的此類特殊用途的承壓管筒，在減輕自身質(zhì)量、改進(jìn)散熱、提高精度、延長壽命等方面，效果非常明顯。

美國普魯夫?qū)嶒?yàn)(PROOF Research)公司是一家總部位于美國蒙大拿州的科技企業(yè)，公司研發(fā)了一款CFRP增強(qiáng)槍管。其通過將先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)與熱-機(jī)械設(shè)計原理相融合，并采用航空專用碳纖維和航天高溫樹脂，研制出新一代運(yùn)動用和軍用CFRP增強(qiáng)槍管。與鋼質(zhì)槍管相比，CFRP增強(qiáng)槍管自身質(zhì)量最多可減小64%，射擊精度可達(dá)比賽級要求。此外，該公司研制的CFRP增強(qiáng)槍管在設(shè)計與制造工藝上適應(yīng)了碳纖維的縱向(即槍管長度方向)熱擴(kuò)散特性，能更有效地通過槍管壁散熱，極大地提高熱擴(kuò)散效率，且槍管能快速冷卻，并可在持續(xù)開火狀態(tài)下更長時間地保持射擊精確度，是被美國軍隊(duì)唯一驗(yàn)證過的CFRP增強(qiáng)槍管(圖28)[34]。

圖28 CFRP增強(qiáng)槍管(PROOF Research公司)

CFRP技術(shù)在槍管上的成功應(yīng)用很快推廣到對各式炮管的增強(qiáng)[34]。同時，利用CFRP增強(qiáng)的特種液壓作動筒也已面市。

13 CFRP作為公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用的關(guān)鍵材料

橋梁是重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施。在建設(shè)跨江河、跨海峽的大型交通通道中，需修建很多大跨度(即橋墩之間的距離)的橋梁。懸索橋是超大跨度橋梁的最終解決方案[35]61。

跨徑(即橋梁全長)增大會使懸索橋鋼質(zhì)主纜的強(qiáng)度利用率、經(jīng)濟(jì)性和抗風(fēng)穩(wěn)定性急劇降低。目前，在大跨度懸索橋中，高強(qiáng)鋼絲主纜自身質(zhì)量占上部結(jié)構(gòu)恒載的比例已達(dá)30%以上，主纜應(yīng)力中活載所占比例減小。如，跨度為1 991 m的日本明石海峽大橋，鋼質(zhì)主纜應(yīng)力中活載所占比例僅約為8%。

此外，跨徑增大還會降低橋梁的氣動穩(wěn)定性。有研究表明，從氣動穩(wěn)定性角度考慮，2 000 m是加勁梁斷面和纜索系統(tǒng)懸索橋的跨徑極限。而改善結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能，需解決好提高結(jié)構(gòu)整體剛度、控制結(jié)構(gòu)振動特性和改善斷面氣動特性等3個問題。大跨度懸索橋的結(jié)構(gòu)剛度取決于主纜的力學(xué)性能。CFRP的力學(xué)特性使得其成為了大跨度懸索橋主纜的優(yōu)選材料。利用懸索橋非線性有限元專用軟件BNLAS，研究主跨3 500 m的CFRP主纜懸索橋模型的靜力學(xué)和動力學(xué)性能最優(yōu)結(jié)構(gòu)體系，得出：CFRP主纜自身質(zhì)量應(yīng)力百分比大幅降低，活載應(yīng)力百分比提高到13%(鋼主纜為7%)，結(jié)構(gòu)的豎彎、橫彎及扭轉(zhuǎn)的基頻大幅提高；CFRP主纜安全系數(shù)的增加將提高結(jié)構(gòu)的豎向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度；增大CFRP主纜的彈性模量可大幅減小活載豎向撓度，提高豎彎基頻和扭轉(zhuǎn)基頻。

總之，CFRP主纜可明顯提升大跨度懸索橋的整體性能，其應(yīng)用潛力巨大[35]62。

此外，建筑與民用工程領(lǐng)域是最早將碳纖維用于結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的。通過在橋梁等建筑物上鋪覆碳纖維織物，可提高水泥結(jié)構(gòu)體的耐用性，以及水泥結(jié)構(gòu)建筑物的抗震性能(圖29)。

圖29 CFRP在建筑與民用工程中的補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)用

未來，CFRP很可能成為名副其實(shí)的建筑材料。世界各國都在加快技術(shù)開發(fā)，使CFRP能直接用作建筑結(jié)構(gòu)材料。如，利用CFRP的導(dǎo)電性制作建筑用電磁防護(hù)材料；在CFRP中嵌入傳感器制作智能建筑材料，利用傳感器傳送的數(shù)據(jù)實(shí)時掌握建筑物結(jié)構(gòu)可能受到的損害等。

14 CFRP在醫(yī)療器械和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用

CFRP能傳導(dǎo)微電流，且X射線透射率高，可在清晰成像的前提下利用較低電壓降低射線劑量，減輕對人體的副作用并實(shí)現(xiàn)節(jié)能。影像檢查和放射治療設(shè)備用CFRP床板，以及CFRP手術(shù)器具，與人體生物相容，且耐侵蝕、易清潔、輕質(zhì)、易移動、易調(diào)節(jié)；核磁共振儀中，為形成高磁場，儀器配有在絕對零度(即液氦-268.785 ℃)下產(chǎn)生超導(dǎo)效應(yīng)的磁鐵，其支撐結(jié)構(gòu)便由CFRP制造；此外，CFRP假肢和矯形器，強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、功能更完善(圖30)[36-37]。

此外,工業(yè)設(shè)備用輥是CFRP的最早應(yīng)用之一(圖31)。當(dāng)今，制膜、造紙和印刷等行業(yè)，輥的轉(zhuǎn)速和寬度都在持續(xù)增加，而鋼質(zhì)或鋁質(zhì)的輥已經(jīng)無法滿足加工、安裝和使用等的要求。CFRP輥的輥徑在30～1 200 mm 或更大，輥長最大達(dá)13 000 mm，其表面特性和額定負(fù)載可定制。CFRP輥質(zhì)量輕、慣性小、偏轉(zhuǎn)低、固有頻率高、力學(xué)性能優(yōu)異，其在超高速下可穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)、加速和剎車，且環(huán)境適應(yīng)性好、不變形，可精密安裝，維護(hù)成本低、使用壽命長[38]。由碳纖維增強(qiáng)橡膠和金屬制成的管、桿等零件，強(qiáng)度高、抗撕裂性能優(yōu)異[39]。由短切碳纖維增強(qiáng)尼龍或聚碳酸酯制成的CFRP部件，輕薄、抗靜電、抗電磁，被廣泛用于筆記本電腦、液晶投影儀、照相機(jī)和大型液晶顯示板等電子產(chǎn)品的機(jī)身或外殼中。

圖30 CFRP在醫(yī)療器械中的應(yīng)用實(shí)例

圖31 CFRP在工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用實(shí)例

15 CFRP在體育休閑用品領(lǐng)域的應(yīng)用

體育休閑用品是CFRP最早進(jìn)入市場化的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著性價比的提高，這一領(lǐng)域已形成了對CFRP的穩(wěn)定需求。滑雪板、滑雪手杖、冰球桿、網(wǎng)球拍和自行車等，都是CFRP在體育休閑用品中的典型應(yīng)用(圖32)。

圖32 CFRP在體育休閑用品中的應(yīng)用實(shí)例

16 碳纖維在時尚產(chǎn)品中的應(yīng)用

碳纖維自身具有的黑亮色澤，及其機(jī)織物和編織物的紋理與質(zhì)感，都是時尚設(shè)計師們所喜愛的獨(dú)特造型元素。目前，使用碳纖維制成的服裝飾品有鞋、帽、腰帶、首飾、錢包(夾)、眼鏡架等，旅行用品有行李箱等，居家用具有桌、椅、浴缸等(圖33)。近來，CFRP還被用于制作提琴和吉他等弦樂器，其音質(zhì)與木質(zhì)樂器相同，聲響效果更佳，樂音能穿透鋼琴或合唱隊(duì)的聲音，可充滿很大的音樂廳，且不怕磕碰、不受氣候變化影響，雨雪天氣仍可演奏[40]。碳纖維的特質(zhì)使得這些產(chǎn)品擁有無可替代的時尚性和藝術(shù)性，為生活增添了極致奢華的技術(shù)和藝術(shù)享受。

圖33 碳纖維在時尚產(chǎn)品中的應(yīng)用實(shí)例

17 結(jié)語

綜上可見，碳纖維在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用市場的不斷細(xì)分推動著碳纖維技術(shù)的差別化發(fā)展，將有更多、更好的碳纖維制品被制造出來，以促進(jìn)社會綠色發(fā)展、滿足人們多樣化的生活需求。

(全文完)

致謝：感謝中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司陳淳副總經(jīng)理提供公司制造風(fēng)電葉片的現(xiàn)場照片；感謝“十二五”國家重點(diǎn)科技專項(xiàng)(高性能纖維及復(fù)合材料專項(xiàng))專家組各位同仁的賜教；感謝各位參考文獻(xiàn)的作者。

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Quartermaster Research Institute of PLA, Beijing 100082, China

*2016年度國家出版基金支持(2016T-008)

2016-09-28 修改日期：2017-05-21

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(zhàn)防護(hù)裝備技術(shù)研究，以及國產(chǎn)高性能纖維技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究工作

TQ327.3， TS102.4

A

1004-7093(2017)05-0001-07