碳纖維是現(xiàn)代宇航工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有不可替代性。CFRP被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈武器、空間平臺(tái)和運(yùn)載火箭等航天領(lǐng)域。在導(dǎo)彈武器應(yīng)用方面，CFRP主要用于制造彈體整流罩、復(fù)合支架、儀器艙、誘餌艙和發(fā)射筒等主次承力結(jié)構(gòu)部件（圖1）；在空間平臺(tái)應(yīng)用方面，CFRP可確保結(jié)構(gòu)變形小、承載力好、抗輻射、耐老化和空間環(huán)境耐受性良好，主要用于制造衛(wèi)星和空間站的承力筒、蜂窩面板、基板、相機(jī)鏡筒和拋物面天線等結(jié)構(gòu)部件（圖2）；在運(yùn)載火箭應(yīng)用方面，CFRP主要用于制造箭體整流罩、儀器艙、殼體、級(jí)間段、發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯和噴管等部件（圖3）。目前，CFRP在航天器上的應(yīng)用已日臻成熟，其是實(shí)現(xiàn)航天器輕量化、小型化和高性能化不可或缺的關(guān)鍵材料。

圖1 CFRP在導(dǎo)彈武器上的應(yīng)用示例

圖2 CFRP在衛(wèi)星和空間站上的應(yīng)用示例

圖3 CFRP在運(yùn)載火箭上的應(yīng)用示例

20世紀(jì)70年代中期的石油危機(jī)是碳纖維應(yīng)用于飛機(jī)制造的直接原因。為緩解能源危機(jī)，當(dāng)時(shí)的美國政府啟動(dòng)了“飛機(jī)節(jié)能計(jì)劃（AircraftEnergy Efficiency Program）”?，F(xiàn)代飛機(jī)機(jī)身采用鋼、鋁、鈦等金屬和復(fù)合材料制成。為節(jié)約燃油和提高運(yùn)營效益，減輕機(jī)身質(zhì)量一直是飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)中的核心挑戰(zhàn)之一。而CFRP在飛機(jī)機(jī)身制造上的成熟應(yīng)用為減輕飛機(jī)機(jī)身質(zhì)量提供了最有效的途徑。例如，以金屬材料為主制成的波音767飛機(jī)（CFRP用量僅占3%）機(jī)身質(zhì)量為60 t，而將CFRP用量提升到50%時(shí)，新型波音767飛機(jī)機(jī)身質(zhì)量下降到48 t，僅此就極大地提升了該型飛機(jī)的能源和環(huán)境效益。

正在研制的波音777X型飛機(jī)（圖4）和最新投產(chǎn)的波音787型飛機(jī)，機(jī)身復(fù)合材料的用量都達(dá)到了50%[5]。波音777X型飛機(jī)是波音公司以波音777飛機(jī)為基型，正在開發(fā)的一種大型雙引擎客機(jī)，計(jì)劃首架飛機(jī)于2020年交付投入運(yùn)營。波音777X飛機(jī)的主翼由CFRP制成，其翼展長約72m（235英尺），是目前客機(jī)中翼展最長的機(jī)型之一。翼展越長，升力越大，因此，波音777X的單座燃油消耗和運(yùn)營成本都非常有競爭力。此外，CFRP機(jī)翼不僅強(qiáng)度高、柔性好，且末端可折疊，這樣多數(shù)機(jī)場都能滿足其寬翼展的停機(jī)需求。波音787飛機(jī)的主翼和機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)都采用日本東麗公司（Toray Industries, Inc.）TORAYCA?品牌的碳纖維預(yù)浸料制造。2005年11月，東麗公司與美國波音公司簽署了一項(xiàng)為期10年的協(xié)議，為波音787夢想號(hào)（Boeing 787 Dreamliner）飛機(jī)提供碳纖維預(yù)浸料。2015年11月9日，東麗公司宣布與美國波音公司達(dá)成綜合協(xié)議，將為波音公司生產(chǎn)的787和777X兩型飛機(jī)提供價(jià)值約110億美元的碳纖維預(yù)浸料。波音公司計(jì)劃提高787飛機(jī)的月產(chǎn)量，將從2015年的10架提高到2016年的12架、2020年的14架；同時(shí)，大型模塊的比率也將提高，這將極大地促進(jìn)對(duì)CFRP的需求。為保證波音787飛機(jī)月產(chǎn)量達(dá)12架后的材料供應(yīng)，位于美國華盛頓州塔科馬市（Tacoma，Washington）的東麗復(fù)合材料（美國）公司[Toray Composites(America),Inc.]已于2016年1月完成了擴(kuò)產(chǎn)；同時(shí)，日本東麗公司決定投資約4.7億美元，在其收購的斯帕坦堡縣（Spartanburg County,South Carolina）廠區(qū)內(nèi)建設(shè)包含原絲、碳纖維和預(yù)浸料在內(nèi)的一體化生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)年產(chǎn)能為2 000 t，這是東麗公司首次在美國建設(shè)一體化的碳纖維生產(chǎn)線，以用于研發(fā)波音777X飛機(jī)和滿足月產(chǎn)14架波音787飛機(jī)的需求。

圖4 CFRP在大型客機(jī)機(jī)身及承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

2016年8月17日，英國最新研制的“空中之戀10號(hào)（Airlander 10）”大型飛艇完成了其處女航（圖5）。這架飛艇是一種輕于空氣的航天器，被設(shè)計(jì)用來執(zhí)行偵察、監(jiān)視、通信、貨物與救援物資的運(yùn)輸，以及乘客交通等。該飛艇采用日本可樂麗（Kuraray）公司生產(chǎn)的聚芳酯（Vectran）織物作蒙皮，蒙皮內(nèi)充滿了帶壓氦氣；其形狀結(jié)構(gòu)材料采用CFRP，最大化地減輕了飛艇自身質(zhì)量。無人值守的情況下，該飛艇一次可最長在空中漂浮5天。

圖5 英國最新研制的“空中之戀10號(hào)（Airlander 10）”大型飛艇

瑞典在船艇制造技術(shù)方面有著傳統(tǒng)優(yōu)勢，其夾層復(fù)合材料技術(shù)居世界一流水平，較早便采用CFRP技術(shù)研制軍用艦船。2000年6月下水的瑞典海軍維斯比號(hào)護(hù)衛(wèi)艦（Stealth Visby）是世界第一艘在艦體結(jié)構(gòu)中采用CFRP的海軍艦艇（圖6）。該艦長73.0 m、寬10.4 m、吃水深度2.4 m、排水量600 t；艦體采用CFRP夾層結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度、高硬度、低質(zhì)量、耐沖擊、低雷達(dá)和磁場信號(hào)，以及吸收電磁波等優(yōu)異性能。

圖6 CFRP在艦船船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

由于成本原因，雖船舶中大量使用CFRP還有待時(shí)日，但其已實(shí)際用于制造民用新概念船艇和軍用艦船關(guān)鍵部件。2010年，德國Kockums公司為瑞典探險(xiǎn)家制造了一條幾乎全部采用CFRP的新概念太陽能探險(xiǎn)船——TuANor PlanetSolar。該船長31.0 m、寬15.0 m，以太陽能為動(dòng)力。2010年9月27日，瑞典探險(xiǎn)家Raphael Domjan駕駛該船出海，開始環(huán)球探險(xiǎn)航行（圖7）。

圖7 CFRP在新概念船艇中的應(yīng)用

CFRP還已用于艦船推進(jìn)器葉片、一體化桅桿和先進(jìn)水面艦艇上層建筑的制造。

低噪聲、安靜運(yùn)行是軍用艦船領(lǐng)域的一項(xiàng)核心技術(shù)，是艦船（特別是潛艇）性能的關(guān)鍵指標(biāo)。因?yàn)槁菪龢咚龠\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其槳葉片上會(huì)產(chǎn)生時(shí)滅的空泡，導(dǎo)致槳葉剝蝕，并伴有強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲。CFRP葉片不僅更輕、更薄，還可改善空泡性能、降低振動(dòng)和水下特性、減少燃油消耗。圖8（a）為以色列Deadliest號(hào)潛艇所用螺旋槳；圖8（b）為日本中島推進(jìn)器有限責(zé)任公司（Nakashima PropellerCo., Ltd.）研制生產(chǎn)的CFRP大型貨輪螺旋槳，它已于2014年5月安裝在太鼓丸號(hào)（Taiko Maru）化學(xué)品貨輪上。圖9為英國羅伊斯羅爾斯公司（Rolls-Royce plc）為班尼蒂（Benetti）游艇生產(chǎn)的CFRP材質(zhì)的推進(jìn)器系統(tǒng)。

圖8 CFRP用于制造潛艇和貨輪推進(jìn)器系統(tǒng)的螺旋槳槳葉

圖9 CFRP用于制造游艇的推進(jìn)器系統(tǒng)

此外，隱身也是評(píng)價(jià)軍用艦船先進(jìn)性水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。提高隱身性能必須減小艦船體的雷達(dá)反射截面，并降低其光學(xué)特性。在過去，艦船上層建筑上都豎立著多根掛滿各種鞭狀和條狀的天線桅桿，它們極大地阻礙了艦船在探測設(shè)備中的隱身能力。1995年，美軍開始研究一體式桅桿系統(tǒng)，其將各種天線設(shè)計(jì)成平面形或球形陣列，并集成于采用能反射電波的復(fù)合材料制成的一體式桅桿系統(tǒng)中，可防風(fēng)雨和鹽霧的侵害。且更進(jìn)一步的是，美軍下一代作戰(zhàn)艦艇的整個(gè)上層建筑都采用復(fù)合材料制造。2016年10月15日，美國海軍舉行了其首艘朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦（Zumwalt-classdestroyer）的入列儀式。該艦是美國海軍的下一代主戰(zhàn)艦艇，其集成了當(dāng)今最尖端的海軍艦船技術(shù)，艦體造型、電驅(qū)動(dòng)力、指揮控制、情報(bào)通信、隱身防護(hù)、偵測導(dǎo)航、火力配置等性能均具超越性。特別值得注意的是，該艦上層建筑及內(nèi)嵌天線系統(tǒng)由美國雷神公司（Raytheon）負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造，采用了一體化模塊式復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（Integrated CompositeDeckhouse and Assembly，簡稱IDHA），質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐銹蝕、透波性好，具有極佳的隱身性能，被發(fā)現(xiàn)概率低于10%（圖10）。

圖10 朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦及施工中的復(fù)合材料上層建筑

CFRP是新一代高速軌道列車車體選材的重點(diǎn)，它不僅可使軌道列車車體輕量化，還可以改進(jìn)高速運(yùn)行性能、降低能耗、減輕環(huán)境污染、增強(qiáng)安全性[11]。當(dāng)前，CFRP在軌道車輛領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢：從車箱內(nèi)飾、車內(nèi)設(shè)備等非承載結(jié)構(gòu)零件向車體、構(gòu)架等承載構(gòu)件擴(kuò)展；從裙板、導(dǎo)流罩等零部件向頂蓋、司機(jī)室、整車車體等大型結(jié)構(gòu)發(fā)展；以金屬與復(fù)合材料混雜結(jié)構(gòu)為主，CFRP用量大幅提高。

圖11列出了1節(jié)地鐵列車中間車輛各部分的質(zhì)量比例，其中車身質(zhì)量約占36%、車載設(shè)備約占29%、內(nèi)部裝飾約占16%[10]73 。由于車載設(shè)備幾乎沒有減重空間，因此，車身和內(nèi)部裝飾就成為了輕量化的重點(diǎn)對(duì)象。2000年，法國國營鐵路公司（SNCF）采用碳纖維復(fù)合材料研制出雙層 TGV型掛車；韓國鐵道科學(xué)研究院（KRRI）以此為基礎(chǔ)，研制出運(yùn)行速度為180 km/h 的TTX型擺式列車車體，其采用不銹鋼增強(qiáng)骨架，側(cè)墻體和頂蓋采用鋁蜂窩夾芯，蒙皮采用CFRP構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，車體外殼總質(zhì)量比鋁合金結(jié)構(gòu)降低了40%，且車體強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、防火安全性、動(dòng)態(tài)特性等性能良好，并于2010年投入商業(yè)化運(yùn)營（圖12）。

圖11 地鐵列車中間車輛各部分的質(zhì)量比例

圖12 TTX型擺式列車車體

2011年，韓國鐵道科學(xué)研究院（KRRI）研制出CFRP地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，質(zhì)量為 635 kg，比鋼質(zhì)構(gòu)架的質(zhì)量減少約30%。日本鐵道綜合技術(shù)研究所（JRTI）與東日本客運(yùn)鐵道公司（East Japan RailwayCompany）聯(lián)合研制的CFRP高速列車車頂，使每節(jié)車箱減輕300~500 kg。2014 年9月，日本川崎重工（Kawasaki）研制的 CFRP 構(gòu)架邊梁，其質(zhì)量比金屬梁減少約40%。

英國材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室關(guān)于材料對(duì)汽車輕量化和降低生產(chǎn)成本的研究表明，汽車質(zhì)量每減輕10%，油耗可降低6%。現(xiàn)有材料中，CFRP的輕量化效果最好；加之，汽車設(shè)計(jì)和復(fù)合材料技術(shù)的快速發(fā)展。這些都使得CFRP在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)期。

BMW公司BMWi型車的推出引領(lǐng)了這一潮流。2008年，BMW公司在慕尼黑召開會(huì)議，目的是讓城市交通技術(shù)發(fā)生徹底的變革，其建立了一個(gè)“i計(jì)劃（Project i）”的智庫，唯一的任務(wù)就是“忘掉以前所做的一切，重新思考一切”。2009年，該智庫形成了一個(gè)全新的節(jié)能概念——“BMW有效動(dòng)力愿景（BMW Vision EfficientDynamics）”，奠定了BMW公司后續(xù)研究的思想基礎(chǔ)，它要求對(duì)車身和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，以達(dá)到全新的節(jié)能性，而此前的想法都是將已有的節(jié)能技術(shù)集成到既有的模板中。2011年，BMW公司確立了“天生電動(dòng)（Born Electric）技術(shù)”，創(chuàng)立了BMWi品牌，其讓人們?cè)谌粘ｑ{駛出行中用上了全電動(dòng)能源；同年，第一款全電動(dòng)BMWi3概念車實(shí)現(xiàn)技術(shù)演示。2012年，兼具高能效和更優(yōu)異運(yùn)動(dòng)跑車性能的BMWi8概念車推出，其采用CFRP、鋁和鈦等輕質(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)了突破意義的減重；同年，全新BMW i3電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（eDrive Propulsion System）推出，實(shí)現(xiàn)了零排放。2013年，BMW i3實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。2014年，BMW i8實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。2016年，BMW公司在美國拉斯維加斯消費(fèi)電子展上推出BMW i 未來互動(dòng)愿景（BMW i Vision FutureInteraction）概念車（圖13）；同時(shí)推出BMWi3（94Ah）型新車，該車整車質(zhì)量僅1 245kg，一次充電續(xù)航里程可達(dá)200 km，且百公里加速時(shí)間7.3 s，靈活性獨(dú)特。

圖13 BMW i 未來互動(dòng)愿景概念車

其中，BMW i3采用“LifeDrive”模塊化車身架構(gòu)設(shè)計(jì)，由乘員座艙（Life）模塊和底盤驅(qū)動(dòng)（Drive）模塊兩部分組成。乘員座艙模塊又稱生命模塊（圖14），其構(gòu)成駕乘人員的乘用空間，采用CFRP制成的生命模塊，質(zhì)量輕、安全性非常高，且乘用感寬敞、均稱。底盤驅(qū)動(dòng)模塊又稱eDrive驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由鋁合金制成，集成了電機(jī)（最大功率125 kW，最大扭矩250 N·m）、電池和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力部件。

圖14 BMW i3車體上部的生命模塊

BMW公司通過與SGL汽車用碳纖維材料（SGL Automotive CarbonFibers）公司合作，歷經(jīng)10多年研發(fā)，開始生產(chǎn)自己所需的碳纖維。其BMWi3型車中生命模塊的制造工藝：將碳纖維織成織物后浸潤于專用樹脂中，制成預(yù)浸料；將預(yù)浸料熱定型成剛性車身零件；采用專門開發(fā)的技術(shù)，將車身零件全自動(dòng)地黏合成完整的車身部件（圖15）。所得CFRP車身具備極高的抗壓強(qiáng)度，能承受更快的加速度，整車的敏捷性和路感都非常好。

圖15  CFRP車體制造工藝（BMW公司）

其中，牽引掛車的性能對(duì)實(shí)現(xiàn)“多拉少跑”的目標(biāo)關(guān)系重大，故沃爾瑪公司投入巨資開展“沃爾瑪先進(jìn)車輛體驗(yàn)（The Walmart AdvancedVehicle Experience）”的新概念卡車研究計(jì)劃。已研制的新概念卡車集成了空氣動(dòng)力學(xué)、微型渦輪混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣化、先進(jìn)控制系統(tǒng)，以及CFRP車體等前沿技術(shù)。主要技術(shù)創(chuàng)新：先進(jìn)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，整體造型優(yōu)雅，氣動(dòng)性能較現(xiàn)行的Model 386型卡車提高20%；微型渦輪混合電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)清潔、高效、節(jié)油；司機(jī)座位設(shè)計(jì)于駕駛室中央，具有180°的視野；電子儀表盤可提供定制化的量程和性能數(shù)據(jù) ；滑動(dòng)型車門和折疊型臺(tái)階提高了安全和安保性能；空間寬敞的駕駛室設(shè)有帶折疊床的可伸縮臥室。牽引掛車的整個(gè)車身采用CFRP制成，頂部和側(cè)墻均采用16.2 m（53英尺）長的單塊板材，其優(yōu)異的力學(xué)性能可確保車體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；采用先進(jìn)黏結(jié)劑黏合，最大限度地減少了鉚釘數(shù)量；凸鼻形的造型設(shè)計(jì)可在充分保證載貨容量的前提下，有效提高氣動(dòng)性能；低剖面LED燈光更節(jié)能、耐用（圖16）。

圖16 沃爾瑪公司研制的新概念卡車

目前，該計(jì)劃已完成84%的任務(wù)量，但仍有許多創(chuàng)新性技術(shù)有待繼續(xù)研發(fā)?？梢灶A(yù)見，沃爾瑪公司的新概念卡車對(duì)推進(jìn)卡車技術(shù)的進(jìn)步和拓展碳纖維的應(yīng)用，有非常大的作用。

風(fēng)能是最具成本優(yōu)勢的可再生能源，風(fēng)能發(fā)電在近10年來已取得飛速發(fā)展。截至2016年5月，全球風(fēng)電裝機(jī)容量已近4 270億MW（表1）。并據(jù)預(yù)測，2020年前，新增風(fēng)電裝機(jī)能力將按25%的年增長率遞增；到2020年，風(fēng)力發(fā)電量將占世界總發(fā)電量的11.81%。

為提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，增大單機(jī)容量和減輕單位千瓦質(zhì)量是關(guān)鍵。20世紀(jì)90年代初期，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量僅為500 kW，而如今，單機(jī)容量10 MW的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都已產(chǎn)品化。風(fēng)電葉片是風(fēng)電機(jī)組中有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，葉片長度 隨風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的提高而不斷增長。根據(jù)頂旋理論，為獲得更大的發(fā)電能力，風(fēng)力發(fā)電機(jī)需安裝更大的葉片。1990年，葉輪直徑（Rotor Diameter）為25 m；2010年，葉輪直徑已達(dá)120 m。2011年，Kaj Lindvig預(yù)測海上風(fēng)機(jī)的葉輪直徑2015年將達(dá)135 m，2020年將達(dá)到160 m。但這一預(yù)測很快就被突破，美國超導(dǎo)公司（AmericanSuperconductor Corp.）2016年已投入市場銷售的10 MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪直徑就已達(dá)190 m。但因葉片長度的問題，業(yè)界就是否需發(fā)展10 MW及以上能力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)存有爭議，但主流觀點(diǎn)是需要發(fā)展的。西門子風(fēng)電（Siemens Wind Power）公司首席技術(shù)官認(rèn)為：面積與體積的關(guān)系的科學(xué)定律將最終限制葉輪直徑的不斷增長，但目前還未達(dá)到極限，制造10 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)在技術(shù)上是可行的；且從運(yùn)營效益上看，降低每兆瓦時(shí)的運(yùn)營成本，必須提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量（圖17）。

圖17 葉片直徑的增長過程

葉輪直徑的增加對(duì)葉片的質(zhì)量及抗拉強(qiáng)力提出了更輕、更高的要求。CFRP是制造大型葉片的關(guān)鍵材料，其可彌補(bǔ)玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）的性能不足。但長期以來，出于成本因素，CFRP在葉片制造中只被用于樑帽、葉根、葉尖和蒙皮等關(guān)鍵部位。近年，隨著碳纖維價(jià)格穩(wěn)中有降，加之葉片長度進(jìn)一步加長，CFRP的應(yīng)用部位增加，用量也有較大提升。2014年，中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司成功研制出國內(nèi)最長的6 MW風(fēng)機(jī)葉片，該葉片全長77.7 m、質(zhì)量28 t，其中主梁由5 t的國產(chǎn)CFRP制成。如采用GFRP設(shè)計(jì)，則該葉片質(zhì)量將約達(dá)36 t（圖18）。

圖18 6 MW風(fēng)機(jī)葉片加工與試驗(yàn)現(xiàn)場（中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司研制）

圖19 燃料電池與化石燃料發(fā)電利用率的比較

各類燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的功率密度大、能量轉(zhuǎn)換率高、低溫啟動(dòng)性最好，且體積小、便攜性好，是理想的汽車用電源。質(zhì)子交換膜燃料電池由陰極、電解質(zhì)和陽極這3個(gè)主要部分組成，其工作原理：

（1）陰極將液氫分子電離。液氫流入陰極時(shí)，陰極上的催化劑層將液氫分子電離成質(zhì)子（氫離子）和電子。

（2）氫離子通過電解質(zhì)。位于中央?yún)^(qū)域的電解質(zhì)允許質(zhì)子通過到達(dá)陽極。

（3）電子通過外部電路。由于電子不能通過電解質(zhì)，只能通過外部電路，故而形成了電流。

（4）陽極將液氧電離。液氧通過陽極時(shí)，陽極上的催化劑層將液氧分子電離成氧離子和電子，并與氫離子結(jié)合生成純水和熱；陽極接受電離所產(chǎn)生的電子（圖20）。可將多個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池連接起來組成燃料電池組，可提高電能的輸出量。

圖20  燃料電池工作機(jī)理

美國聯(lián)合技術(shù)（United Technologies）公司是全球軍民用燃料電池產(chǎn)品技術(shù)的領(lǐng)先企業(yè)。聯(lián)合技術(shù)動(dòng)力（UTC Power）公司原是United Technologies公司的一個(gè)業(yè)務(wù)部門，其產(chǎn)品廣泛用于航天器、潛艇、建筑、公交巴士和家用汽車等領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代早期，UTC Power公司便已制造出大型固定式燃料電池電站，并投入商業(yè)化運(yùn)行。此后10多年，UTC Power公司都在致力于公交巴士和家用汽車用燃料電池技術(shù)的研發(fā)。2005年12月，UTC Power公司研制的燃料電池在混合動(dòng)力公交車上投入使用，由千棕櫚陽光車道運(yùn)輸（SunLine Transit）公司在美國加利福尼亞州的千棕櫚鎮(zhèn)（Thousand Palms，CA）投入商業(yè)試運(yùn)營。

2008年以來，由于突破了成本和壽命等技術(shù)瓶頸，燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。美國巴拉德動(dòng)力公司（Ballard Power SystemsInc.）研制生產(chǎn)的FCveloCity?型燃料電池，是專為公交巴士和輕軌研制的第七代可擴(kuò)展式模塊化燃料電池，使用該燃料電池可組成30~200 kW的電源。2015年6月上市的85 kW級(jí)的FCveloCity?型燃料電池，主要用于電動(dòng)公交巴士（圖21和圖22）。

圖21 85 kW級(jí)的FCveloCity?型燃料電池（巴拉德動(dòng)力公司）

圖22 巴拉德動(dòng)力公司生產(chǎn)的模塊化燃料電池的應(yīng)用示例

碳纖維紙作為一種高性能復(fù)合材料，是制造燃料電池質(zhì)子交換膜電極中氣體擴(kuò)散層必不可少的多孔擴(kuò)散材料（圖23）。氣體擴(kuò)散層（GDL）構(gòu)成氣體從流動(dòng)槽擴(kuò)散到催化劑層的通道，是燃料電池的心臟，是膜電極組（MEA）中非常重要的支撐材料，其主要功能是作為連接膜電極組和石墨板的橋梁。氣體擴(kuò)散層可幫助催化劑層外部生成的副產(chǎn)品——水盡快流走，避免積水造成溢流；還可幫助在膜的表面保持一定水份，確保膜的導(dǎo)電率；燃料電池運(yùn)行過程中，幫助維持熱傳導(dǎo)；此外，提供足夠的力學(xué)強(qiáng)度，在吸水?dāng)U展時(shí)保持膜電極組的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（表2）。

圖23  燃料電池用碳纖紙、碳纖布和碳纖板（CE-Tech公司）

表2 CE-Tech公司生產(chǎn)的燃料電池用部分碳纖維紙牌號(hào)及性能指標(biāo)

在質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池中，同時(shí)使用碳纖維紙和碳纖維布作為氣體擴(kuò)散層的綜合效果更好。每輛燃料電池電動(dòng)汽車約需消耗碳纖維紙100 m2（即8 kg）。

在2016年9月23-26日召開的全球鐵路裝備交易會(huì)上，法國阿爾斯通（Alstom）公司發(fā)布了其最新研制的全球首輛液氫燃料電池電動(dòng)火車。該車屬阿爾斯通公司Coradia iLint系列的區(qū)域型列車，是根據(jù)2014年與德國下薩克森州（German Landers ofLower Saxony）、北萊茵威斯特伐利亞州（North Rhine-Westphalia）、巴登符騰堡州（Baden-Württemberg）及黑森州（Public TransportationAuthorities of Hesse）的公共交通部門簽訂的一項(xiàng)內(nèi)部意向而研發(fā)的新一代零排放燃料電池動(dòng)力火車。最新發(fā)布的液氫燃料電池電動(dòng)火車全部采用成熟技術(shù)研制，車頂裝有氫燃料電池，乘客艙底部裝有鋰電池、變流器和電動(dòng)機(jī)，它將開辟燃料電池更大的應(yīng)用市場空間，促進(jìn)碳纖維紙技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展（圖24）。

圖24 全球首創(chuàng)的氫燃料電池動(dòng)力火車（法國阿爾斯通公司）

增大架空線中傳輸?shù)碾娏鲿?huì)造成電纜發(fā)熱。若此時(shí)電纜材質(zhì)耐熱性能差，則電纜的承載力會(huì)下降，進(jìn)而產(chǎn)生弧垂。而弧垂既是一個(gè)重要的線損源，也是限制架空線提高傳輸容量的主要因素。

鋼芯鋁導(dǎo)線中的增強(qiáng)鋼芯受熱即產(chǎn)生弧垂，超過70℃時(shí)弧垂會(huì)使電纜嚴(yán)重下垂，更有可能與鄰近物體接觸導(dǎo)致短路，甚至落至地面危及人員生命于安全。由弧垂引發(fā)的短路會(huì)使鄰近的架空線和變壓器瞬間過載，引起災(zāi)難性故障。自承式鋁絞線雖能允許短暫的、較高的運(yùn)行溫度（150℃），但也無法避免弧垂的產(chǎn)生。

復(fù)合材料芯材鋁導(dǎo)線（ACCC）以復(fù)合材料芯材替代金屬芯材，為解決架空線弧垂問題開辟了更有效的技術(shù)途徑。2002年，基于ACCC專利技術(shù)，全球供配電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)——美國CTC公司（CTC Global）展開了產(chǎn)品的研發(fā)，以期將其投入使用。當(dāng)時(shí)的開發(fā)目標(biāo)是，在不對(duì)現(xiàn)有架空線承載塔架做任何變動(dòng)且不增加現(xiàn)行導(dǎo)線質(zhì)量或直徑的前提下，開發(fā)CFRP芯材來承載鋁導(dǎo)線，以降低熱弧垂、增大塔架距離、承載更大電流、減少線損、提高供電網(wǎng)絡(luò)可靠性等。2005年，該公司首次推出商業(yè)化的ACCC導(dǎo)線產(chǎn)品，其研制生產(chǎn)的CFRP芯鋁導(dǎo)線的強(qiáng)度是同等質(zhì)量鋼芯鋁導(dǎo)線的2倍、傳輸?shù)碾娏魅萘渴瞧渌静匿X導(dǎo)線的2倍、線損較其他芯材鋁導(dǎo)線降低了25%~40%，其高容、高效和低弧垂等性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了其他材質(zhì)芯材鋁導(dǎo)線。

圖25為相同直徑鋁導(dǎo)線的截面對(duì)比，其中，鋼芯的直徑明顯大于CFRP芯的直徑，這使得CFRP芯鋁導(dǎo)線可多容納28%的鋁導(dǎo)線，從而增大了電流的通過能力。

圖25 鋼芯鋁導(dǎo)線和CFRP芯鋁導(dǎo)線的截面對(duì)比

20世紀(jì)40年代，美國開始武器系統(tǒng)用復(fù)合材料增強(qiáng)高壓容器的研究。1946年，美國研制出纖維纏繞壓力容器；20世紀(jì)60年代，又在北極星和土星等型號(hào)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上采用纖維纏繞技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強(qiáng)。1975年，美國開始研制輕質(zhì)復(fù)合材料高壓氣瓶，采用S-玻纖/環(huán)氧、對(duì)位芳綸/環(huán)氧纏繞技術(shù)，制造復(fù)合材料增強(qiáng)壓力容器。

后來，科學(xué)家們紛紛研制出由玻纖、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸和PBO纖維等增強(qiáng)的多種先進(jìn)復(fù)合材料（表3）。其中，對(duì)位芳綸曾大量用于各種航空航天器用壓力容器的纏繞增強(qiáng)，后逐漸被碳纖維所取代[30]37,[31]47。20世紀(jì)70年代，纖維纏繞金屬內(nèi)襯輕質(zhì)壓力容器被大量用于航天器和武器的動(dòng)力系統(tǒng)中；20世紀(jì)80年代，碳纖維增強(qiáng)無縫鋁合金內(nèi)襯復(fù)合壓力容器出現(xiàn)，其使壓力容器的制造費(fèi)用更低、質(zhì)量更輕、可靠性更高。復(fù)合材料增強(qiáng)壓力容器具有破裂前先泄漏的疲勞失效模式，提高了安全性。因此，全纏繞復(fù)合材料高壓容器已在衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈等航天器中廣泛使用。阿波羅（Appolo）登月飛船曾使用的鈦合金球形氦氣瓶，其容積92L、爆破壓力≥47MPa、質(zhì)量26.8kg；而標(biāo)準(zhǔn)航空航天用鋼內(nèi)襯復(fù)合氦氣瓶質(zhì)量20.4kg，鋁內(nèi)襯復(fù)合氦氣瓶質(zhì)量11.4kg，無內(nèi)襯復(fù)合氣瓶質(zhì)量僅為6.8kg（相較于鈦合金球形氦氣瓶質(zhì)量減少了75%）。

高性能纖維（表3）是全纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合壓力容器的主要增強(qiáng)體。通過對(duì)高性能纖維的含量、張力、纏繞軌跡等進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，可充分發(fā)揮高性能纖維的性能，確保復(fù)合壓力容器性能均一、穩(wěn)定，爆破壓力離散差小。車用高壓Ш型氫氣瓶（金屬內(nèi)膽全纏繞）的材料成本中，近70%為增強(qiáng)纖維，其余約30%為內(nèi)膽和其他材料。

20世紀(jì)30年代，意大利率先將天然氣用做汽車燃料。早期車用氣均使用鋼質(zhì)氣瓶，其厚重問題始終限制著鋼質(zhì)氣瓶的擴(kuò)大應(yīng)用。20世紀(jì)80年代初，玻璃纖維環(huán)向增強(qiáng)鋁（或鋼）內(nèi)膽的復(fù)合氣瓶誕生。由于環(huán)向增強(qiáng)復(fù)合氣瓶的軸向強(qiáng)度欠佳，故其金屬內(nèi)膽依然較厚。為解決此問題，同時(shí)對(duì)環(huán)向和軸向進(jìn)行增強(qiáng)的全纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合氣瓶應(yīng)運(yùn)而生，其金屬內(nèi)膽的厚度大幅減薄，質(zhì)量顯著減小。20世紀(jì)90年代，以塑料作為內(nèi)膽的復(fù)合氣瓶出現(xiàn)。新能源汽車領(lǐng)域，高壓氣瓶的應(yīng)用主要是燃料電池動(dòng)力汽車用高壓儲(chǔ)氫氣瓶，其壓力已到達(dá)70 MPa。（圖26）

圖26 燃料電池電動(dòng)汽車用CFRP增強(qiáng)液氫儲(chǔ)罐

天然鈾礦石的主要成分是鈾238，其中鈾235僅占0.7%。工業(yè)上，常采用氣體擴(kuò)散法進(jìn)行鈾濃縮，盡管該方法投資大、耗能高，但卻是目前唯一可行的方法。鈾235和鈾238的六氟化鈾氣態(tài)化合物，兩者質(zhì)量相差不到百分之一。加壓分離時(shí)，這不到百分之一的質(zhì)量差會(huì)促使鈾235的六氟化鈾氣態(tài)化合物能以稍快的速度通過多孔隔膜。每通過1次多孔隔膜，鈾235的含量就會(huì)稍有增加，但增量十分微小。因此，為獲得純鈾235 ，需讓六氟化鈾氣體數(shù)千次地通過多孔隔膜。工業(yè)加工就是讓六氟化鈾氣體反復(fù)地通過級(jí)聯(lián)的多臺(tái)離心機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾235的濃縮（圖27）。

圖27 鈾濃縮氣體離心機(jī)的工作原理及現(xiàn)場圖

鈾濃縮氣體離心機(jī)技術(shù)是核燃料生產(chǎn)的關(guān)鍵，是衡量核技術(shù)水平的重要標(biāo)志。鈾濃縮氣體離心機(jī)具有高真空、高轉(zhuǎn)速、強(qiáng)腐蝕、高馬赫數(shù)、長壽命、不可維修等特點(diǎn)，其研制涉及機(jī)械、電氣、力學(xué)、材料學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等多學(xué)科的理論和技術(shù)，難度非常大[32]。離心機(jī)中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與氣體分離效率直接相關(guān)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，氣體分離效率也越高。因此，確保轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在60000r/min以上，是鈾濃縮氣體離心機(jī)最基本的性能要求。而這么高的轉(zhuǎn)速便對(duì)轉(zhuǎn)子的材質(zhì)提出了非常苛刻的要求。金屬材質(zhì)的轉(zhuǎn)子根本無法達(dá)到如此高的轉(zhuǎn)速，因?yàn)樗鼰o法跨越共振頻率，金屬材質(zhì)的轉(zhuǎn)子一旦達(dá)到共振頻率便會(huì)碎裂；而CFRP制成的轉(zhuǎn)子則不存在這一問題，其可耐受更高的轉(zhuǎn)速。因此，早在20世紀(jì)80年代，CFRP就已被用于制造鈾濃縮氣體離心機(jī)的高速轉(zhuǎn)子。且隨著CFRP技術(shù)的進(jìn)步，CFRP制成的轉(zhuǎn)子可耐受更高的轉(zhuǎn)速，鈾濃縮效率大幅提升。

鑒于CFRP高速轉(zhuǎn)子在鈾濃縮生產(chǎn)中的重要作用，西方國家一直對(duì)非核國家禁運(yùn)氣體離心機(jī)用CFRP高速轉(zhuǎn)子。1992年11月9日，美國《核燃料》雜志報(bào)道，歐洲鈾濃縮公司（Urenco）的股東——奧格斯堡-紐倫堡機(jī)器制造公司（MaschinenfabrikAugsburg-Nurnberg AG）的前員工Kar1 HeinzSchaap，與妻子共同經(jīng)營了一家名為Ro-Shc的公司。這對(duì)夫妻通過Ro-Shc公司向伊拉克出售了至少20個(gè)CFRP離心機(jī)轉(zhuǎn)子。1992年11月2日，奧格斯堡（Augsburg）聯(lián)邦檢察官向Kar1 HeinzSchaap發(fā)出了逮捕令。此事，進(jìn)一步印證了CFRP在鈾濃縮氣體離心機(jī)技術(shù)中的重要性。

與壓力容器長時(shí)間持續(xù)耐壓不同，槍管、炮管、液壓作動(dòng)筒等特種管筒需在較長時(shí)間內(nèi)高頻次地承受和釋放高壓。由碳纖維纏繞或預(yù)浸料包覆增強(qiáng)的此類特殊用途的承壓管筒，在減輕自身質(zhì)量、改進(jìn)散熱、提高精度、延長壽命等方面效果非常明顯。

美國普魯夫?qū)嶒?yàn)公司（PROOF Research）是一家總部位于美國蒙大拿州的科技企業(yè)，該公司研發(fā)了一款CFRP增強(qiáng)槍管。其將先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)與熱-機(jī)械設(shè)計(jì)原理相融合，并采用了航空專用碳纖維和航天高溫樹脂，研制出新一代運(yùn)動(dòng)用和軍用槍館。與鋼質(zhì)槍管相比，CFRP增強(qiáng)槍管自身質(zhì)量最高可減小64%，射擊精度可達(dá)比賽級(jí)要求。此外，該公司研制的CFRP增強(qiáng)槍管在設(shè)計(jì)與制造工藝上適應(yīng)了碳纖維的縱向（即沿槍管長度方向）熱擴(kuò)散率特性，能更有效地通過槍管壁散熱，極大地提高熱擴(kuò)散效率，且槍管能快速冷卻，并可在持續(xù)開火狀態(tài)下更長時(shí)間地保持射擊精確度，是被美國軍隊(duì)唯一驗(yàn)證過的CFRP增強(qiáng)槍管（圖28）。

圖28 CFRP增強(qiáng)槍管（PROOF Research公司生產(chǎn)）

CFRP技術(shù)在槍管上的成功應(yīng)用很快推廣到對(duì)各式炮管的增強(qiáng)。同時(shí)，利用CFRP增強(qiáng)的特種液壓作動(dòng)筒也已面市。

但跨徑增大會(huì)使得懸索橋鋼質(zhì)主纜的強(qiáng)度利用率、經(jīng)濟(jì)性和抗風(fēng)穩(wěn)定性急劇降低。目前，在大跨度懸索橋中，高強(qiáng)鋼絲主纜自身質(zhì)量占上部結(jié)構(gòu)恒載的比例已達(dá)30%以上，主纜應(yīng)力中活載所占比例減小。如，跨度1991 m的日本明石海峽大橋，鋼質(zhì)主纜應(yīng)力中活載所占比例僅約為8%。

此外，跨徑增大還會(huì)降低橋梁的氣動(dòng)穩(wěn)定性。有研究表明，從氣動(dòng)穩(wěn)定性角度考慮，2000m的跨徑是加勁梁斷面和纜索系統(tǒng)懸索橋的跨徑極限。而改善結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能需解決好提高結(jié)構(gòu)整體剛度、控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性和改善斷面氣動(dòng)特性等3個(gè)問題。大跨度懸索橋的結(jié)構(gòu)剛度取決于主纜的力學(xué)性能。CFRP的力學(xué)特性使得其成為了大跨度懸索橋主纜的優(yōu)選材料。利用懸索橋非線性有限元專用軟件BNLAS，研究主跨3500m的CFRP主纜懸索橋模型的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能最優(yōu)結(jié)構(gòu)體系，得出：CFRP主纜自身質(zhì)量應(yīng)力百分比大幅降低，活載應(yīng)力百分比提高到13%（鋼主纜為7%），結(jié)構(gòu)的豎彎、橫彎及扭轉(zhuǎn)基頻大幅提高；CFRP主纜安全系數(shù)的增加將提高結(jié)構(gòu)的豎向和扭轉(zhuǎn)剛度；增大CFRP主纜的彈性模量可大幅減小活載豎向撓度，提高豎彎和扭轉(zhuǎn)基頻。

總之，CFRP主纜可明顯提升大跨徑懸索橋的整體性能（圖29）。

圖29 湖南矮寨特大跨度懸索橋鋼質(zhì)主纜

此外，建筑與民用工程領(lǐng)域是最早將碳纖維用于結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的。通過在橋梁等建筑物上鋪覆碳纖維織物，可提高水泥結(jié)構(gòu)體的耐用性，以及水泥結(jié)構(gòu)建筑物的抗震性能（圖30）。

圖30 CFRP在建筑與民用工程中的補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)用    

未來，CFRP很可能成為名副其實(shí)的建筑材料。世界各國都在加快技術(shù)開發(fā)，使CFRP能直接用作建筑結(jié)構(gòu)材料。如，利用CFRP的導(dǎo)電性制作建筑用電磁防護(hù)材料；在CFRP中嵌入傳感器制作智能建筑材料，利用傳感器傳送的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)掌握建筑物結(jié)構(gòu)可能受到的損害。

圖31 CFRP在醫(yī)療器械中的應(yīng)用示例

由短切碳纖維與質(zhì)量分?jǐn)?shù)占10%~60%的尼龍或聚碳酸酯模塑成型的CFRP部件，質(zhì)量輕、厚度薄、抗靜電、抗電磁，在電子信息產(chǎn)品如筆記本電腦、液晶投影儀、照相機(jī)、光學(xué)鏡頭和大型液晶顯示板等中應(yīng)用廣泛。加之CFRP具有優(yōu)異的抗撕裂性能，還可用于制造軸承、輥軸、管材等產(chǎn)品，其強(qiáng)度與鋼質(zhì)產(chǎn)品相同，但質(zhì)量可大幅降低（圖32）。

圖32 CFRP在工業(yè)設(shè)備部件中的應(yīng)用示例

隨著工業(yè)自動(dòng)化、智能的提高，高效的工業(yè)裝備將離不開碳纖維！

圖33 CFRP在體育休閑用品中的應(yīng)用示例

圖34 碳纖維作為時(shí)尚元素材料的應(yīng)用實(shí)例