碳纤维复合材料的几个常见应用领域分析

  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。

  1.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;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;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。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。

  2.作为先进舰船船体结构

  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月下水的瑞典海军护卫舰是世界第一艘在舰体结构中采用CFRP的海军舰艇。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。

  3.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。

  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。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。

  4.作为风电叶片的增强结构

  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。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。相关人员认为:面积与体积的关系的科学定律将最终限制叶轮直径的不断增长,但目前还未达到极限,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。