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碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展

2017/12/14

碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展
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。此后,碳纤维应用快速向以航空航天器主结构材料为代表的高端化发展。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,其在导弹、空间平台和运载火箭,航空器,先进舰船,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,以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。
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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被广泛应用于导弹武器、空间平台和运载火箭等航天领域。在导弹武器应用方面,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、承载力好、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)。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。
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图1 CFRP在导弹武器上的应用示例
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图2 CFRP在卫星和空间站上的应用示例
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图3 CFRP在运载火箭上的应用示例
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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。且在近期研制成功的新型飞艇中,CFRP也被用做结构材料。
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(AircraftEnergy Efficiency Program)"。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。
正在研制的波音777X型飞机(图4)和最新投产的波音787型飞机,机身复合材料的用量都达到了50%[5]。波音777X型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年交付投入运营。波音777X飞机的主翼由CFRP制成,其翼展长约72m(235英尺),是目前客机中翼展最长的机型之一。翼展越长,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,这样多数机场都能满足其宽翼展的停机需求。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.)TORAYCA®品牌的碳纤维预浸料制造。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飞机的月产量,将从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.]已于2016年1月完成了扩产;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,设计年产能为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。
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图4 CFRP在大型客机机身及承力结构中的应用
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,被设计用来执行侦察、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)织物作蒙皮,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。无人值守的情况下,该飞艇一次可最长在空中漂浮5天。
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图5 英国最新研制的"空中之恋10号(Airlander 10)"大型飞艇
3
CFRP作为先进舰船船体结构
CFRP对提高舰船的结构、能耗和机动性能等非常明显。
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,以及吸收电磁波等优异性能。
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图6 CFRP在舰船船体结构中的应用
由于成本原因,虽船舶中大量使用CFRP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关键部件。2010年,德国Kockums公司为瑞典探险家制造了一条几乎全部采用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)。
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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、降低振动和水下特性、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 PropellerCo., 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。
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图8 CFRP用于制造潜艇和货轮推进器系统的螺旋桨桨叶
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图9 CFRP用于制造游艇的推进器系统
此外,隐身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-classdestroyer)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 CompositeDeckhouse 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)。
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图10 朱姆沃尔特级驱逐舰及施工中的复合材料上层建筑
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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。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,其每千米能耗约为3.6×107 J(即10 kWh),运行15 万km约消耗540 000 GJ能量;如质量能减少30%,则可节能27,000×30%=8,100 GJ73。
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,还可以改进高速运行性能、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,CFRP用量大幅提高。
图11列出了1节地铁列车中间车辆各部分的质量比例,其中车身质量约占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,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,并于2010年投入商业化运营(图12)。
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图11 地铁列车中间车辆各部分的质量比例
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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,质量为 635 kg,比钢质构架的质量减少约30%。日本铁道综合技术研究所(JRTI)与东日本客运铁道公司(East Japan RailwayCompany)联合研制的CFRP高速列车车顶,使每节车箱减轻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%。
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CFRP作为电动汽车的车体结构
英国材料系统实验室关于材料对汽车轻量化和降低生产成本的研究表明,汽车质量每减轻10%,油耗可降低6%。现有材料中,CFRP的轻量化效果最好;加之,汽车设计和复合材料技术的快速发展。这些都使得CFRP在汽车制造领域的应用速度远远超出人们的预期。
BMW公司BMWi型车的推出引领了这一潮流。2008年,BMW公司在慕尼黑召开会议,目的是让城市交通技术发生彻底的变革,其建立了一个"i计划(Project i)"的智库,唯一的任务就是"忘掉以前所做的一切,重新思考一切"。2009年,该智库形成了一个全新的节能概念——"BMW有效动力愿景(BMW Vision EfficientDynamics)",奠定了BMW公司后续研究的思想基础,它要求对车身和驱动系统进行专门的设计,以达到全新的节能性,而此前的想法都是将已有的节能技术集成到既有的模板中。2011年,BMW公司确立了"天生电动(Born Electric)技术",创立了BMWi品牌,其让人们在日常驾驶出行中用上了全电动能源;同年,第一款全电动BMWi3概念车实现技术演示。2012年,兼具高能效和更优异运动跑车性能的BMWi8概念车推出,其采用CFRP、铝和钛等轻质材料,实现了突破意义的减重;同年,全新BMW i3电驱动系统(eDrive Propulsion System)推出,实现了零排放。2013年,BMW i3实现量产。2014年,BMW i8实现量产。2016年,BMW公司在美国拉斯维加斯消费电子展上推出BMW i 未来互动愿景(BMW i Vision FutureInteraction)概念车(图13);同时推出BMWi3(94Ah)型新车,该车整车质量仅1 245kg,一次充电续航里程可达200 km,且百公里加速时间7.3 s,灵活性独特。
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图13 BMW i 未来互动愿景概念车
其中,BMW i3采用"LifeDrive"模块化车身架构设计,由乘员座舱(Life)模块和底盘驱动(Drive)模块两部分组成。乘员座舱模块又称生命模块(图14),其构成驾乘人员的乘用空间,采用CFRP制成的生命模块,质量轻、安全性非常高,且乘用感宽敞、均称。底盘驱动模块又称eDrive驱动系统,其结构由铝合金制成,集成了电机(最大功率125 kW,最大扭矩250 N·m)、电池和燃油发动机等动力部件。
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图14 BMW i3车体上部的生命模块
BMW公司通过与SGL汽车用碳纤维材料(SGL Automotive CarbonFibers)公司合作,历经10多年研发,开始生产自己所需的碳纤维。其BMWi3型车中生命模块的制造工艺:将碳纤维织成织物后浸润于专用树脂中,制成预浸料;将预浸料热定型成刚性车身零件;采用专门开发的技术,将车身零件全自动地黏合成完整的车身部件(图15)。所得CFRP车身具备极高的抗压强度,能承受更快的加速度,整车的敏捷性和路感都非常好。
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图15 CFRP车体制造工艺(BMW公司)
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CFRP作为新概念货运卡车的车体结构
世界零售业巨头沃尔玛(Walmart)公司在28个国家的63个区域拥有11 500家门店。其在美国拥有1支由近6 000辆货车组成的卡车车队,它们会将产品送至遍布于美国的数千家门店。该车队为保持持续的生存能力和效率,一直以"行驶里程更少,运输量更多"为目标,依靠提高司机驾驶技术、采用先进牵引挂车、改进过程与系统筹划等措施,实现2007—2015年间车队行驶超480万km,运送集装箱数超8亿,运输效率较2005年提高84.2%。
其中,牵引挂车的性能对实现"多拉少跑"的目标关系重大,故沃尔玛公司投入巨资开展"沃尔玛先进车辆体验(The Walmart AdvancedVehicle Experience)"的新概念卡车研究计划。已研制的新概念卡车集成了空气动力学、微型涡轮混合动力驱动系统、电气化、先进控制系统,以及CFRP车体等前沿技术。主要技术创新:先进的空气动力学设计,整体造型优雅,气动性能较现行的Model 386型卡车提高20%;微型涡轮混合电力驱动系统清洁、高效、节油;司机座位设计于驾驶室中央,具有180°的视野;电子仪表盘可提供定制化的量程和性能数据 ;滑动型车门和折叠型台阶提高了安全和安保性能;空间宽敞的驾驶室设有带折叠床的可伸缩卧室。牵引挂车的整个车身采用CFRP制成,顶部和侧墙均采用16.2 m(53英尺)长的单块板材,其优异的力学性能可确保车体的结构强度;采用先进黏结剂黏合,最大限度地减少了铆钉数量;凸鼻形的造型设计可在充分保证载货容量的前提下,有效提高气动性能;低剖面LED灯光更节能、耐用(图16)。
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图16 沃尔玛公司研制的新概念卡车
目前,该计划已完成84%的任务量,但仍有许多创新性技术有待继续研发。可以预见,沃尔玛公司的新概念卡车对推进卡车技术的进步和拓展碳纤维的应用,有非常大的作用。

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