碳纖維：碳家新貴，“黑色黃金”

蘇更林

都說“物以稀為貴”，而隨處可見的碳根本就談不上“稀”。那么，碳纖維“貴”在何處，又“新”在哪里，居然能與黃金相提并論？

輕量為王，勇挑航天重任的“明星”

誕生于20世紀60年代的碳纖維，是以含碳有機纖維為原料，經過高溫碳化和石墨化等工藝制成的含碳90%以上的新材料。航空航天是碳纖維應用的一個重要領域，體現了先進材料對現代尖端科技的支撐作用。

在航空航天領域，最常用的碳纖維為PAN基長絲高性能碳纖維。什么是PAN基長絲高性能碳纖維呢？PAN的中文名稱為“聚丙烯腈”，“PAN基”以聚丙烯腈為含碳有機纖維原料來制造碳纖維。除了PAN基碳纖維外，還有瀝青基、黏膠基和酚醛基等碳纖維。由于PAN基碳纖維生產工藝相對簡單，其成品擁有優異的品質和力學性能，因此是目前世界上新材料領域的“當紅明星”。

“長絲”是相對于短絲而言的。按照纖維形態，碳纖維可以分為長絲、短纖維和短切纖維。它們都有特定的應用場合，其中的長絲往往擁有更好的綜合性能，而被應用于尖端科技領域。至于“高性能”，則是航空航天對碳纖維材料的核心要求。按照性能數值的高低，PAN基碳纖維可分為通用型（GP）、高強型（HT）、高模型（HM）、高強高模型（HP）等多種規格。其中的高模型和高強高模型是航空航天領域看好的功能材料。

不過，碳纖維通常以復合材料的形式被應用于多種場合。所謂復合材料，是指由兩種或兩種以上單一材料經復合工藝制成的多組元材料。這些組元的作用在于取長補短，相得益彰，使得復合材料能更好地滿足特定場合的需要。

碳纖維復合材料通常以樹脂材料（如環氧樹脂等）作為基體，主要作用是傳遞應力，并把各種組元團結為一個有機的整體，從而迎接各種負荷的挑戰。至于碳纖維，其定位就是“增強纖維”，其主要作用是承載負荷，也就是挑“大梁”的意思。

大飛機一直是國際競爭的制高點，其中復合材料已成為其制造的三大關鍵技術之一。用碳纖維與樹脂制成的復合材料制作大飛機的“外衣”，輕巧靈便、消耗動力少，而且推力大，噪聲還低。如波音787所用的復合材料就達到了50%，不僅能有效克服自重與安全的矛盾，還能大幅降低飛機的能耗。

國產大飛機的誕生，標志著我國碳纖維復合材料達到了相當高的水平。我國科學家研制的T800級高強碳纖維復合材料，成功應用于C919大型客機。這是我國首個使用T800級高強碳纖維復合材料的民用機型，標志著我國在高強碳纖維復合材料制造方面取得了重要突破。

據悉，T800級高強碳纖維復合材料是以增韌環氧樹脂為基體，T800碳纖維為增強纖維的新型碳纖維材料。這是目前國際上民用飛機主承力結構應用最為廣泛的復合材料。在C919上，像后機身和平垂尾等受力較大的部件，都使用了T800級高強碳纖維復合材料。并且，由于輕質先進材料的應用，使得C919的總重量減少了7%左右，這對于降低油耗等具有重要的意義。如今，我國T1000級超高強度碳纖維已經破冰，有望在航空航天、國防以及民用工業領域發揮重要作用。

對于航天探索來說，“輕裝上陣”是最基本的要求。為了節約燃料消耗，減重就成為了首要問題。為了提高航天發射的效能，搭載必要的科學裝置等有效載荷是十分必要的。因此，從運載火箭開始減重是一個不錯的主意。運載火箭減重絕不是要少帶燃料，而是要從燃料罐和氧化劑罐入手進行減重。如果將傳統的鋁合金罐體換成碳纖維復合材料，一定會取得很好的減重效果。當然，如果用碳纖維復合材料制造運載火箭，也可以提高火箭的有效發射能力。

運載火箭輕了，航天器就可以增加有效載荷。那么，航天器能否減重呢？回答是肯定的，不過減重不是減少有效載荷。碳纖維復合材料在航天領域的應用，除了運載火箭之外，主要應用于衛星結構、支撐結構件以及光學鏡體等幾個方面。

先來說說碳纖維復合材料在衛星結構中的應用。作為目前人類向太空發射的最主要的航天器，衛星為人類認識太空和服務社會做出了重要貢獻。碳纖維復合材料可以用于制造衛星的外殼，也可以用于制作衛星承力筒，這是衛星的主承力結構。

在衛星上一般用艙板來實現艙段之間的連接，并為衛星上的設備提供支撐和保護作用。這里的艙板就可以用碳纖維復合材料來制造。衛星控制平臺主體結構以及各種儀器安裝結構板等也可以用碳纖維復合材料來制造。

在航天器結構中，龐大的太陽翼是一個必備的裝備。如果用碳纖維復合材料制造太陽翼的框架，一定會有顯著的減重效果。在空間站，像桁架結構、壓力容器也可以用碳纖維復合材料來制造。在制造遙感相機鏡筒、相機支架、星載天線上，碳纖維復合材料也有用武之地。

助力“雙碳戰略”，為新能源提供堅強支撐

實施“雙碳戰略”，發展新能源是關鍵，而新能源的高速發展，離不開新興材料的支撐。碳纖維復合材料在新能源產業中的應用，彰顯了先進碳基復合材料的強大威力。

就拿風力發電機葉片來說，那可是碳纖維復合材料為社會效力的主戰場。風能作為一種清潔能源，日益受到人們的青睞。風力發電的核心裝備為風力發電機，即通常所說的風機。

也許，你印象中的風機就是轉動中的三個葉片。其實，風機有極其復雜的結構。那長長的葉片只是其捕獲風能的“哨兵”，其使命是把風能轉化為機械能，再經過發動機的轉化就可以輸出電力了。

風機強不強，葉片是關鍵。為了提升低風速地區的發電量，一般風機需要在100多米的高度工作。那里的工作環境極其惡劣，因此對葉片的制作材料有著苛刻的要求。比如，所用材料既要滿足風機葉片的強度和剛度要求，又要滿足風機葉片的韌性和壽命要求。近年來，碳纖維復合材料正在逐步取代玻璃纖維復合材料，成為制造風機葉片的理想材料。

葉片的長度在一定程度上決定了風電機組的發電水平以及整機成本，未來，風力發電的趨勢是風機葉片的大型化。這一點也很好理解，因為葉片越長掃風面積越大，風機發電功率自然也更大。我國的風機葉片長度已突破百米大關，未來有望向160米進發。

這里還有一個問題需要考慮，那就是風機葉片大型化之后的減重問題。因為減重可以提高風力發電的經濟性。據悉，用碳纖維復合材料取代玻璃纖維復合材料，一般可使葉片重量減少三分之一左右。想必經濟性也會隨之提高不少呢！

氫能產業作為一種戰略性新興產業，在構建低碳社會中占有重要的地位。發展燃料電池汽車是氫能利用的一個重要方面，然而這繞不開氫的儲運關。氫在常溫常壓條件下為氣態，密度只有水的萬分之一，高密度儲氫具有一定的難度。目前國內主流的儲氫方式為高壓氣態儲氫，這也是最為成熟的儲氫方式了。然而，高壓氣態儲氫對高壓儲氫罐的技術要求很高。對于車載領域的儲氫瓶而言，大多采用III型（35MPa）或IV型（70MPa）儲氫瓶。III型和IV型儲氫瓶皆采用碳纖維全纏繞方式加工而成，具有瓶身質量輕、儲氫密度高、安全性好等優勢。

據悉，國內III型儲氫瓶的儲氫密度為3.9%，IV型儲氫瓶的儲氫密度可達5.5%。這是因為IV型儲氫瓶比III型儲氫瓶壓力高的緣故，在相同體積條件下，壓力越大儲氫量越多。看來，IV型儲氫瓶是氫燃料電池汽車的首選，意味著密度更高、成本更低、續航里程更長。

汽車輕量化，期待“減重神器”的大普及

一向被譽為“減重神器”的碳纖維，以其輕量化、高強度、高剛度以及耐腐蝕等特質，將為汽車帶來高效率、低排放、高速度、長壽命的新生，從而把汽車文明推向一個嶄新的境界。

說起汽車材料的進步，不能不說汽車的歷史。1769年，世界上第一輛具有實用價值的用蒸汽驅動的汽車誕生了。這輛“蒸汽車”的發明者是法國的炮兵大尉古諾?！罢羝嚒避嚿聿捎玫牟牧蠟槟静?。用木材制成的框架支撐著一個直徑1.34米的鍋爐以及雙活塞蒸汽機等多個裝置，看上去十分笨重。

該“蒸汽車”有三個輪子—前面一個輪子，后面兩個輪子，起初最高時速為4千米，每隔15分鐘就得停下來燒水制蒸汽。前面的輪子還兼作轉向輪，由于方向桿不太靈活，不時會發生交通事故。

不過，按照公認的現代汽車的定義，用蒸汽驅動的車輛是被排除在外的。100多年之后，德國的本茨把汽油驅動的汽車推向了商業化，從而迎來了現代汽車的誕生。1885年9月5日，本茨成功設計并制造出世界上第一輛具有現代汽車雛形的乘坐車。盡管本茨發明的汽車也是三輪汽車，但因其配備了一個588瓦的四沖程汽油發動機，而被譽為現代汽車誕生的標志，本茨也因此被尊稱為“現代汽車之父”。

也許你不會相信，被譽為現代汽車誕生標志的三輪汽車竟然是木制的。據稱，本茨發明的三輪汽車其車身、車架以及車輪等部件都是木制結構的。由于沒有方向盤，想要拐彎的話，只能依靠一個操縱桿控制方向。

木制汽車的弊端很多，但材料的進步始終與科技發展水平密切相關。在本茨的汽車生涯中，“維克托得亞”牌汽車算是趕上了好時候，金屬取代木材進入了實施階段。

金屬材料的誕生為汽車工業帶來了轉機，車身和車架終于可以拋棄木制結構，汽車制造進入了金屬材料的新時代。金屬材料比木材更具優勢，既易于加工又堅固耐用。1908年，福特汽車開始把鋼材應用于T型車車身。1916年，道奇推出首款全鋼車身汽車。

隨著人們能源和環境意識的增強，汽車輕量化已是大勢所趨。在汽車制造的金屬時代，以鋁合金為代表的輕質高強度材料自然成為人們關注的對象。鋁合金的密度僅為鋼材的三分之一，強度卻與高合金鋼相接近。

但由于鋁的熔點較鋼材要低得多，在加工時焊接難度很高。同時，鋁質地較軟的特性也難以滿足汽車安全性的要求。于是，鋼鋁混合車身便應運而生了。采用鋼鋁混合的方案，一方面較好地滿足了車身輕量化的要求，同時又較好地滿足了汽車安全性的要求。

碳纖維復合材料的誕生，為汽車輕量化開辟了一方新視野。碳纖維復合材料的密度只有1.5克/立方厘米， 相較于鋁合金的密度（2.8克/立方厘米）低了近一半，相較于結構鋼的密度（7.9克/立方厘米）和鈦合金的密度（4.5克/立方厘米）則低得更多。即便是與應用極其廣泛的玻璃纖維/聚酯的密度（2克/立方厘米）相比，碳纖維復合材料的低密度仍然具有優勢。

更重要的是，碳纖維復合材料還具有極高的強度和剛度，因此具有很好的結構穩定性，并且碳纖維復合材料還具有耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、易加工、耐沖擊等優秀品質。

當然，碳纖維復合材料這個超級“減重神器”要想走進汽車制造業，還需要期待碳纖維成本的不斷降低。碳纖維復合材料在汽車制造業的普及，將為汽車輕量化帶來新的希望。

從節能和排放的角度來看，汽車輕量化是節約燃料消耗和降低污染物排放的重要手段之一。因為車體質量直接影響油耗水平，油耗低了，排放自然就少了。據悉，對于普通轎車來說，車體每減重100千克，每百千米燃油可平均減少0.5升，二氧化碳排放隨之減少500克。

從行車安全的角度來看，汽車輕量化可以減小碰撞時的慣性，這樣一來，制動距離就變短了，車輛對人的沖擊力也就變小了，安全性自然就提高了。從駕乘體驗來看，由于用碳纖維復合材料制造的發動機部件和傳動軸具有很高的阻尼特性，因此有助于提高汽車運行的穩定性，并且噪聲和振動也得以改善。

輸電用上碳纖維，醉翁之意不在“電”

電力的傳輸離不開導線，而導線的最佳選材為金屬，如銅、鋁等金屬材料。然而，碳纖維在我國特高壓輸電工程上的應用，成為電力傳輸領域的一大亮點。

碳纖維也能導電？回答是肯定的。雖然碳纖維的導電性在非金屬導體中是值得期待的，但相較于傳統的金屬導體銀、銅、鋁還是遜色不少。那么，為什么電力傳輸看好碳纖維呢？

這還得從電力傳輸線的結構說起。根據架設方式的不同，電力傳輸線可以分為電纜輸電線路和架空輸電線路兩種。就目前情況來看，我國的電力傳輸主要采用的是架空輸電線路，如特高壓輸電就是以架空輸電導線作為輸送電力載體的。

能源技術的革命促進了輸電導線的進步，碳纖維復合芯導線就是這種進步的產物之一。碳纖維復合芯導線擁有內部芯線和表面導線（鋁）的結構。其中的芯線是用碳纖維作為中心層并包覆玻璃纖維材料制成的單根芯棒，圍繞在芯線周圍的具有梯形截面的鋁線則為一種性能優良的新型導線。

不難看出，對于碳纖維復合芯導線來說，承擔電能傳輸任務的是其外層部分的鋁導線，而不是碳纖維復合芯。那么，碳纖維復合芯的作用是什么呢？簡單來說，碳纖維復合芯的主要任務是承擔導線自身的重量以及風力、導線應力等機械方面的應力。

長期以來，架空輸電導線的主要類型為鋼芯鋁絞線，即用7股鋼絲擰成的鋼絲繩作為導線的承重線，外面則由幾十股鋁絲合成的鋁導線作為電能傳輸的載體。那么，用碳纖維復合芯取代傳統的鋼芯有何意義呢？

第一，由于碳纖維復合芯具有更高的強度，因此不再需要由鋁導線承擔部分受力作用。這樣一來，外層的鋁導線就可以全力以赴負責導電了。比如，采用退火狀態的軟鋁可以提高導電率，把截面設計成瓦型則可以大幅減小導線的外徑。相對于同直徑的常規導線來說，碳纖維復合芯導線可以大幅度提高載流的容量。

第二，由于碳纖維復合芯導線不存在傳統導線鋼絲材料引起的磁損和熱效應，因此在輸送相同容量的條件下具有更低的運行溫度，這樣可以減少輸電過程中的能量損耗。

第三，由于碳纖維復合芯導線的熱膨脹系數要低于傳統的鋼芯鋁絞線，在高溫條件下工作時下弧垂不到鋼芯鋁絞線的一半，對于提高線路運行的安全性和可靠性具有重要的意義。

第四，由于碳纖維質輕、防腐、高強度、耐高溫，因此碳纖維復合芯導線的可靠性更好，使用壽命更長。建設同等輸送容量線路的工程，碳纖維復合芯導線的建設費用會更低一些。

中國電網步入“特高壓”時代，導線技術進步責無旁貸。目前，我國應用碳纖維復合芯導線總長度超過2萬千米，已經成為電力技術革命的一個重要方面。

2019年，世界首條碳纖維復合導線特高壓工程—大唐錫林浩特電廠1000千伏送出線路正式并網運行。運行線路全長14.6千米，全部采用國產碳纖維復合芯導線。與傳統的鋼芯導線相比，碳纖維復合芯導線表現出諸多獨特優勢。據悉，該運行線路是錫盟—山東1000千伏特高壓交流輸變電工程的配套工程，對于緩解華北地區的用電緊張狀況具有重要意義。

碳纖維作為一種高科技含碳產品，生產工藝極其復雜，其“稀缺性”不言而喻。因此，盡管碳元素并不“稀缺”，但是碳纖維卻十分“稀缺”。碳纖維的“貴”不僅是因為它的“稀缺性”，更重要的是其作為“材料之王”的“有用性”。碳纖維具有的“既輕又強”和“剛柔并濟”等特質，使其被廣泛應用于航空航天、軍工、新能源、汽車、電力以及體育等諸多領域，并發揮著越來越重要的作用。

【責任編輯】蒲 暉