【科普知识】碳纤维复合材料在新能源方面的发展应用

来源：中国复合材料学会

高性能碳纤复合材料是先进复合材料的典型代表，作为结构与功能的一体化材料，碳纤维复合材料在电力产业、石油工业、天然气、电动汽车等新能源领域中扮演着非常重要的角色。

而相对于传统化石能源而言的新能源，以新材料和新技术作为基础，包括风能、海洋能、地热能、核能、太阳能等可再生能源以及对传统能源技术进行变革所形成的新的能源等，碳纤维复合材料在新能源产业的应用是符合时代主题的发展的必然方向,我们必须重视并为之努力。

碳纤维在天然气领域的应用

压缩天然气（Compressed NaturalGas，CNG）在我国应用较为广泛，用起来比较安全，成本低、无污染，是一咱比较理想的能源。气瓶是CNG的储存容器，是CNG的关键部件。这种气瓶是合金钢瓶或复合材料气瓶均可。

相对于钢瓶而言，碳纤维复合材料气瓶破损安全性好，当复合材料气瓶超载时可能发生少量纤维断裂，此时压力载荷会迅速在未破坏的纤维上重新分配，不致使气瓶在短期内推动承载能力。

碳纤维在风电领域中的应用

风电的价格与风机功能是有关的，在一定范围内他们成反比例的关系，也就是说电机功率越大，单位发电的成本也就越低。风力机的关键部件之一就是叶片，而叶片的长度对风机的功率起重要作用。

提高发电机的功率对叶片的长度、质量、材料强度有很高的要求。在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。

目前全球已经有不少的公司已经开始应用，如：德国叶片制造商采用了碳纤维新制造的56m长，5MW风机叶片，他们认为叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片的制作成本要低于玻璃纤维制造。

用碳纤维代替以往的玻璃纤维，再加上新型成型的加工技术，碳纤维复合材料在电力生产中一定会发挥起来越重要的作用。此外，碳纤维复合导线输电导线中也存在巨大的潜在市场，碳纤维复合导线可以提高输送电能的效率，也是能源利用的重要领域。

碳纤维在电动汽车领域的应用

复合材料加工能耗低、且轻质高强、成型工艺性好，已然是汽车工业以塑代钢的理想材料。目前，汽车工业空前兴盛，但也正面临资源和环境的巨大挑战，如何推进汽车轻量化达到降低油耗的目的，是汽车工业发展的主题。

正因为碳纤维复合材料拥有的热固性和热塑性，因此可适用于不同的汽车部件。在国际上，碳纤维复合材料已经应用于汽车的包括车身部件、动力部件等各个部件。值得提出的是，实现在汽车上真正的大规模应用碳纤维复合材料，需要突破很多关键技术。

碳纤维在石油领域的应用

石油是一种非常宝贵的能源，也是有限且不可再生的能源，当今综合国力竞争的重要因素。在我国,机械采油井数占总生产井数的90%以上，在其中80%是采用传统的杆泵抽油模式。

这种金属抽油杆存在着大重量、易腐蚀、低疲劳性能，采油事故发生率高的缺点，而采用碳纤维复合材料连续抽油杆彻底的克制了这些缺点，具有高强、轻质、耐腐蚀、耐磨损的特点，大大提高采油效率，应用前景十分广泛。

不可忽视的是，深海油气开采是当今世界石油开发的趋势，且我国深海油较丰富，更好更快的开发深海油气也是我国当前石油战略发展的重要课题。

目前，我国开采海域深度已经达到1500--3000m，深度不断加深给原有的开采设备和技术带来了难以攻克的技术难题。由此可见在深海油气开发领域，碳纤维复合材料构件的研发是未来必然发展的方向。

节能与新能源产业是当今中国迫切需要快速发展的产业，节能与新能源产业是当前我国极具发展前景的产业。新能源产业作为支撑中国经济顺利走向低碳、绿色的道路和在国际竞争中争取科技经济制高点的关键力量，应得到足够的关注和科学的发展。

实现碳纤维复合材料在新能源产业中的应用，首先要充分了解碳纤维复合材料的优越性能，发展低成本的碳纤维成型技术，发展电力产业、石油产业、天然气方面以及电动汽车方面的终端产业链，随着认识越来越充分，技术越来越成熟，碳纤维复合材料在新能源产业中一定会发挥越起来越重要的作用。

航空航天中的碳纤维复合材料

自从人类首次涉足空中以来，设计师就一直在不断努力提高升重比。复合材料在减轻重量方面发挥了重要作用，如今使用的主要类型有三种：碳纤维，玻璃纤维和芳纶增强环氧树脂复合材料。

还有其他一些，例如硼增强（它本身是在钨芯上形成的复合材料）。自1987年以来，复合材料在航空航天中的使用每五年增加一倍，并且定期出现新的复合材料。

用途复合材料用途广泛，可用于所有飞机和航天器的结构应用和组件，从热气球吊船和滑翔机到客机，战斗机和航天飞机。应用范围从完整的飞机（如Beech Starship）到机翼组件，直升机旋翼桨叶，螺旋桨，座椅和仪表外壳。

这些类型具有不同的机械性能，并用于飞机制造的不同领域。例如，碳纤维具有独特的疲劳性能。铝制机翼具有已知的金属疲劳寿命，而碳纤维的可预测性要差得多（但每天都会显着提高），但硼效果很好（例如在高级战术战斗机的机翼中）。

芳纶纤维被广泛用于蜂窝板形式，用以构造非常坚硬，非常轻的舱壁，燃料箱和地板。它们还用于前缘和后缘机翼组件。

在一项实验计划中，波音公司成功地使用了1,500个复合零件来替换直升机中的11,000个金属零件。在商业和休闲航空中，以复合材料为基础的组件代替金属作为维护周期的一部分正在迅速增长。

总体而言，碳纤维是航空航天应用中使用最广泛的复合纤维。

好处我们已经介绍了一些方法，例如减轻体重，但这是完整列表：

减轻重量-通常会节省20％-50％。

使用自动铺板机和旋转模塑工艺可以很容易地组装复杂的零件。

单壳（“单壳”）模制结构以更低的重量提供了更高的强度。

机械性能可以通过“叠层”设计进行定制，并具有逐渐变细的补强布厚度和布取向。

复合材料的热稳定性意味着它们不会随温度的变化而过度膨胀/收缩（例如，在35,000英尺内，在几分钟之内从90°F的跑道升至-67°F的跑道）。

高抗冲击性-凯夫拉尔（芳纶）装甲也能屏蔽飞机-例如，减少对带有发动机控制装置和燃油管路的发动机挂架的意外损坏。

高损伤容忍度提高了事故的生存能力。

避免了“电偶”-电腐蚀问题，当两种异种金属接触时（特别是在潮湿的海洋环境中）会发生电腐蚀问题。（此处使用非导电玻璃纤维。）

消除了疲劳/腐蚀的综合问题。

未来展望随着燃油成本和环境保护压力的不断增加，商业飞行承受着不断提高性能的压力，而减轻重量是其中的关键因素。除了日常运营成本外，还可通过减少部件数量和减少腐蚀来简化飞机维护计划。

飞机制造业务的竞争性质确保了在任何可能的地方探索和利用任何降低运营成本的机会。军事领域也存在竞争，不断施加压力以增加有效载荷和射程，飞行性能特征以及“生存能力”，不仅是飞机，还有导弹。复合技术不断发展，玄武岩和碳纳米管等新型材料的出现必将加速和扩展复合材料的使用。在航空航天领域，复合材料将继续存在。

文章来源：农业民生详谈，复合材料社区

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