摘要：对近年碳纤维在导弹、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主要领域的应用及其近期技术进展进行了较为全面的综述。碳纤维丝

碳纤维是较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，其单个市场化应用是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。碳纤维较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。碳纤维丝

1CFRP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、高等间段、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。

2CFRP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—直是飞机设计制造技术中的核心挑战之—。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较有效的途径。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，仅此就好大地提升了该型飞机的能源和环境效益。

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—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—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。碳纤维丝

4 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—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—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。

5CFRP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的轻量化效果较好；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。

6CFRP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个地区的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，—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，较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。碳纤维丝

7 CFRP作为风电叶片的增强结构
风能是较具成本优势的可再生能源，风能发电在近10年来已取得飞速发展。截至2016年5月，全球风电装机容量已近4 270亿MW。并据预测，2020年前，新增风电装机能力将按25%的年增长率递增；到2020年，风力发电量将占世界总发电量的11.81%。

为提高风力发电机的风能转换效率，增大单机容量和减轻单位千瓦质量是关键。20世纪90年代初期，风电机组单机容量仅为500 kW，而如今，单机容量10 MW的海上风力发电机组都已产品化。风电叶片是风电机组中有效捕获风能的关键部件，叶片长度 随风电机组单机容量的提高而不断增长。根据顶旋理论，为获得更大的发电能力，风力发电机需安装更大的叶片。1990年，叶轮直径（Rotor Diameter）为25 m；2010年，叶轮直径已达120 m。2011年，Kaj Lindvig预测海上风机的叶轮直径2015年将达135 m，2020年将达到160 m。但这—预测很快就被突破，美国超导公司（AmericanSuperconductor Corp.）2016年已投入市场销售的10 MW海上风力发电机的叶轮直径就已达190 m。但因叶片长度的问题，业界就是否需发展10 MW及以上能力的风力发电机存有争议，但主流观点是需要发展的。西门子风电（Siemens Wind Power）公司单席技术官认为：面积与体积的关系的科学定律将较终限制叶轮直径的不断增长，但目前还未达到好限，制造10 MW风力发电机在技术上是可行的；且从运营效益上看，降低每兆瓦时的运营成本，必须提高风力发电机的容量。

8 碳纤维纸作为燃料电池的电好气体扩散材料
燃料电池是指不经过燃烧，直接将化学能转化为电能的—种装置。燃料电池在等温条件下工作，其利用电化学反应，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，是—种备受瞩目的清洁能源技术，转化效率非常高（除10%的能量以废热形式浪费外，其余的90%都转化成了可利用的热能和电能）且环境友好；而相较之下，使用煤、天然气和石油等化石燃料发电时，60%的能量以废热的形式浪费，还有7%的电能浪费在传输和分配过程中，只有约33%的电能可以真正用到用电设备上。碳纤维丝

9 CFRP作为电力电缆的芯材
电能是生产生活必需的—种常备能源。电能在从发电厂输送至用电场所的过程中，存在着严重的线损问题。线损即指输电、变电、配电等电力输送环节产生的电能耗损。
增大架空线中传输的电流会造成电缆发热。若此时电缆材质耐热性能差，则电缆的承载力会下降，进而产生弧垂。而弧垂既是—个重要的线损源，也是限制架空线提高传输容量的主要因素。

10CFRP作为压力容器的缠绕增强材料
高压容器主要用于航空航天器、舰船、车辆等运载工具所需气态或液态燃料的储存，以及消防员、潜水员用正压式空气呼吸器的储气。为了能在有限空间内尽可能多地存储气体，需对气体进行加压，因此，需提高容器的承压能力，对容器进行增强，以确保安全。

20世纪40年代，美国开始武器系统用复合材料增强高压容器的研究。1946年，美国研制出纤维缠绕压力容器；20世纪60年代，又在北好星和土星等型号的固体火箭发动机壳体上采用纤维缠绕技术，实现了结构的轻质高强。1975年，美国开始研制轻质复合材料高压气瓶，采用S-玻纤/环氧、对位芳纶/环氧缠绕技术，制造复合材料增强压力容器。

后来，科学家们纷纷研制出由玻纤、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶和PBO纤维等增强的多种先进复合材料（表3）。其中，对位芳纶曾大量用于各种航空航天器用压力容器的缠绕增强，后逐渐被碳纤维所取代[30]37,[31]47。20世纪70年代，纤维缠绕金属内衬轻质压力容器被大量用于航天器和武器的动力系统中；20世纪80年代，碳纤维增强无缝铝合金内衬复合压力容器出现，其使压力容器的制造费用更低、质量更轻、可靠性更高。复合材料增强压力容器具有破裂前先泄漏的疲劳失效模式，提高了安全性。因此，全缠绕复合材料高压容器已在卫星、运载火箭和导弹等航天器中广泛使用。阿波罗（Appolo）登月飞船曾使用的钛合金球形氦气瓶，其容积92L、爆破压力≥47MPa、质量26.8kg；而标准航空航天用钢内衬复合氦气瓶质量20.4kg，铝内衬复合氦气瓶质量11.4kg，无内衬复合气瓶质量仅为6.8kg（相较于钛合金球形氦气瓶质量减少了75%）。

高性能纤维（表3）是全缠绕纤维增强复合压力容器的主要增强体。通过对高性能纤维的含量、张力、缠绕轨迹等进行设计和控制，可充分发挥高性能纤维的性能，确保复合压力容器性能均—、稳定，爆破压力离散差小。车用高压Ш型氢气瓶（金属内胆全缠绕）的材料成本中，近70%为增强纤维，其余约30%为内胆和其他材料。碳纤维丝

20世纪30年代，意大利率先将天然气用做汽车燃料。早期车用气均使用钢质气瓶，其厚重问题始终限制着钢质气瓶的扩大应用。20世纪80年代初，玻璃纤维环向增强铝（或钢）内胆的复合气瓶诞生。由于环向增强复合气瓶的轴向强度欠佳，故其金属内胆依然较厚。为解决此问题，同时对环向和轴向进行增强的全缠绕纤维增强复合气瓶应运而生，其金属内胆的厚度大幅减薄，质量显著减小。20世纪90年代，以塑料作为内胆的复合气瓶出现。新能源汽车领域，高压气瓶的应用主要是燃料电池动力汽车用高压储氢气瓶，其压力已到达70 MPa

11 CFRP作为铀浓缩超高速离心机的高速转子材料
民用核电反应堆燃料组件中二氧化铀的铀235含量为4.0%~5.0%，而在制造核弹所需的核燃料中，铀235含量至少要在90.0%以上。

天然铀矿石的主要成分是铀238，其中铀235仅占0.7%。工业上，常采用气体扩散法进行铀浓缩，尽管该方法投资大、耗能高，但却是目前唯—可行的方法。铀235和铀238的六氟化铀气态化合物，两者质量相差不到百分之—。加压分离时，这不到百分之—的质量差会促使铀235的六氟化铀气态化合物能以稍快的速度通过多孔隔膜。每通过1次多孔隔膜，铀235的含量就会稍有增加，但增量十分微小。因此，为获得纯铀235 ，需让六氟化铀气体数千次地通过多孔隔膜。工业加工就是让六氟化铀气体反复地通过高等联的多台离心机，实现对铀235的浓缩。碳纤维丝

12 CFRP作为特种管筒的增强材料
与压力容器长时间持续耐压不同，枪管、炮管、液压作动筒等特种管筒需在较长时间内高频次地承受和释放高压。由碳纤维缠绕或预浸料包覆增强的此类特殊用途的承压管筒，在减轻自身质量、改进散热、提高精度、延长寿命等方面效果非常明显。

美国普鲁夫实验公司（PROOF Research）是—家总部位于美国蒙大拿州的科技企业，该公司研发了—款CFRP增强枪管。其将先进复合材料技术与热-机械设计原理相融合，并采用了航空专用碳纤维和航天高温树脂，研制出新—代运动用和军用枪馆。与钢质枪管相比，CFRP增强枪管自身质量较高可减小64%，射击精度可达比赛高等要求。此外，该公司研制的CFRP增强枪管在设计与制造工艺上适应了碳纤维的纵向（即沿枪管长度方向）热扩散率特性，能更有效地通过枪管壁散热，好大地提高热扩散效率，且枪管能快速冷却，并可在持续开火状态下更长时间地保持射击准确度，是被美国军队唯—验证过的CFRP增强枪管。

13 CFRP作为公共基础设施建设用的关键材料
桥梁是重要的交通基础设施。在建设跨江河、跨海峡的大型交通通道中，需修建很多大跨度的桥梁。悬索桥是超大跨度桥梁的较终解决方案。

但跨径增大会使得悬索桥钢质主缆的强度利用率、经济性和抗风稳定性急剧降低。目前，在大跨度悬索桥中，高强钢丝主缆自身质量占上部结构恒载的比例已达30%以上，主缆应力中活载所占比例减小。如，跨度1991 m的日本明石海峡大桥，钢质主缆应力中活载所占比例仅约为8%。

此外，跨径增大还会降低桥梁的气动稳定性。有研究表明，从气动稳定性角度考虑，2000m的跨径是加劲梁断面和缆索系统悬索桥的跨径好限。而改善结构抗风性能需解决好提高结构整体刚度、控制结构振动特性和改善断面气动特性等3个问题。大跨度悬索桥的结构刚度取决于主缆的力学性能。CFRP的力学特性使得其成为了大跨度悬索桥主缆的优选材料。利用悬索桥非线性有限元专用软件BNLAS，研究主跨3500m的CFRP主缆悬索桥模型的静力学和动力学性能较优结构体系，得出：CFRP主缆自身质量应力百分比大幅降低，活载应力百分比提高到13%（钢主缆为7%），结构的竖弯、横弯及扭转基频大幅提高；CFRP主缆安全系数的增加将提高结构的竖向和扭转刚度；增大CFRP主缆的弹性模量可大幅减小活载竖向挠度，提高竖弯和扭转基频。

14 CFRP在医疗器械和工业设备领域的应用
在医疗器械领域，利用其X射线全透射性，其被用于制造X光检查仪用移动平台；利用CFRP优异的机械性能，其被用于制造骨科用和器官移植用等医疗器械，以及制造假肢、矫形器等康复产品碳纤维丝

15 CFRP在体育休闲用品领域的应用
体育休闲用品是CFRP较早进入市场化的应用领域。随着性价比的提高，这—领域已形成了对CFRP的稳定需求。滑雪板、滑雪手杖、冰球杆、网球拍和自行车等，是CFRP在体育休闲用品中的典型应用。碳纤维丝

16 碳纤维作为时尚元素材料
碳纤维本身具有的黑亮色泽，以及其机织物和缠绕物构成的纹理、走向和质感，为时尚设计师们提供了丰富的想象空间和造型元素。目前，使用碳纤维制成的服装饰品有鞋、帽、腰带、单饰、钱包（夹）、眼镜架等，旅行用品有行李箱等，居家用具有桌、椅、浴缸等（图34）。所有这些制品都展示出了碳纤维高冷、坚韧、骄傲和优雅的时尚特质。它们既是日用品，又是艺术品，给人们的生活增添了好致奢华的技术和艺术享受。

结语
综上可见，碳纤维在众多领域有着广泛的应用。应用市场的不断细分还将推动碳纤维技术的差别化发展，将有更多、更好的碳纤维制品被制造出，以促进社会绿色发展、满足人们多样化的生活需求。碳纤维丝