碳纖維的十六個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域及近期技術(shù)進(jìn)展(二)*

周 宏

軍委后勤保障部軍需裝備研究所，北京100082

碳纖維的十六個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域及近期技術(shù)進(jìn)展(二)*

周 宏

軍委后勤保障部軍需裝備研究所，北京100082

(上接2017年第1期第6頁)

5 CFRP作為電動(dòng)汽車的車體結(jié)構(gòu)材料

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%?，F(xiàn)有材料中，CFRP的輕量化效果最好[12]，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BMW i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 Efficient Dynamics)”，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BMW i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)BMW i3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BMW i8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 Future Interaction)概念車(圖13)；同時(shí)推出BMW i3(94Ah)型新車，該車整車質(zhì)量?jī)H1 245 kg，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[13]。

圖13 BMW i 未來互動(dòng)愿景概念車

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2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、舒適。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 Carbon Fibers)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。BMW i3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 生命模塊的制造工藝(BMW公司)

6 CFRP作為新概念貨運(yùn)卡車的車體結(jié)構(gòu)材料

世界零售業(yè)巨頭沃爾瑪(Walmart)公司在28個(gè)國家的63個(gè)區(qū)域擁有約11 500家門店。其在美國擁有1支由近6 000輛貨車組成的卡車車隊(duì)，由它們將產(chǎn)品送至遍布于美國的數(shù)千家門店。該車隊(duì)為保持持續(xù)的生存能力和效率，一直以“行駛里程更少，運(yùn)輸量更多”為目標(biāo)，依靠提高司機(jī)駕駛技術(shù)、采用先進(jìn)牽引掛車、改進(jìn)過程與系統(tǒng)籌劃等措施，實(shí)現(xiàn)2007—2015年間車隊(duì)運(yùn)送集裝箱數(shù)超8億，行駛里程超480萬km，運(yùn)輸效率較2005年提高84.2%。

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 Advanced Vehicle 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)位于駕駛室中央，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)墻均采用長(zhǎng)度為16.2 m(即53英尺)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[14-15](圖16)。

圖16 新概念卡車(沃爾瑪公司)

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。

7 CFRP作為風(fēng)電葉片的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料

風(fēng)能是最具成本優(yōu)勢(shì)的可再生能源，風(fēng)能發(fā)電在近10年已取得飛速發(fā)展。截至2016年5月，全球風(fēng)電裝機(jī)容量已近427 052 MW(表1)。并據(jù)預(yù)測(cè)，2020年前，全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量將按25%的年增長(zhǎng)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%[16]。

表1 全球風(fēng)電裝機(jī)容量(截至2016年5月)

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?jī)H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(zhǎng)度隨風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的提高而不斷增長(zhǎng)(圖17)。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[17]26,[18]。1990年，葉輪直徑(葉輪直徑≈2×葉片長(zhǎng)度+聯(lián)軸器直徑)為25.0 m；2010年，葉輪直徑已達(dá)120.0 m。2011年，Kaj Lindvig預(yù)測(cè)海上風(fēng)機(jī)的葉輪直徑2015年 將達(dá)到135.0 m，2020年將達(dá)到160.0 m。但這一預(yù)測(cè)很快就被突破，美國超導(dǎo)(American Superconductor)公司2016年投入市場(chǎng)銷售的10 MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪直徑就已達(dá)190.0 m[19]。但因葉片長(zhǎng)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(zhēng)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(zhǎng)，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[20]。

圖17 葉輪直徑的增長(zhǎng)

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(zhǎng)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(zhǎng)度進(jìn)一步增加，CFRP的應(yīng)用部位增加，用量也有較大提升[17]25-29。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(zhǎng)的6 MW風(fēng)機(jī)葉片，該葉片長(zhǎng)度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(chǎng) (中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司)

8 碳纖維紙作為燃料電池的電極氣體擴(kuò)散材料

燃料電池是指不經(jīng)過燃燒，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。燃料電池在等溫條件下工作，其利用電化學(xué)反應(yīng)將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，是一種備受矚目的清潔能源，轉(zhuǎn)化效率非常高(除10%的能量以廢熱形式浪費(fèi)外，其余90%的能量都轉(zhuǎn)化成了可利用的熱能和電能)，且環(huán)境友好；而相較之下，使用煤、天然氣和石油等化石燃料發(fā)電時(shí)，60%的能量以廢熱的形式浪費(fèi)，還有7%的電能浪費(fèi)在傳輸和配送過程中，只有約33%的電能可以真正用到用電設(shè)備上(圖19)。

圖19 燃料電池與化石燃料發(fā)電利用率的比較

圖20 燃料電池工作機(jī)理

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、電解液和陽極這3個(gè)主要部分組成，其工作機(jī)理(圖20)：

(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) 氫離子通過電解液。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。

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，提高電能的輸出量。

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[21]。

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[23]。美國巴拉德動(dòng)力(Ballard Power Systems)公司研制生產(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 模塊化燃料電池的應(yīng)用(巴拉德動(dòng)力公司)

碳纖維紙作為一種高性能的復(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)散層可以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分，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)[22-24]。

圖23 燃料電池用碳纖維紙、碳纖維布和碳纖維板(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)

注： N1S1007是第二代碳基材料，具有更好的性能

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)[25]。

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 of Lower 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 Transportation Authorities 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)[26]，它將開辟燃料電池更大的應(yīng)用市場(chǎng)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(阿爾斯通公司)(未完待續(xù))

[12] 王東川，劉啟志，柯楓. 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用[J]. 汽車工藝與材料，2005(4)：33-36.

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Sixteen main application areas and recent technical progress for the carbon fiber: Part 2

ZhouHong

Quartermaster Research Institute of PLA, Beijing 100082, China

*2016年度國家出版基金支持(2016T-008)

2016-09-28

周宏，男，1963年生，教授級(jí)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期致力于對(duì)位芳綸基單兵作戰(zhàn)防護(hù)裝備技術(shù)研究工作，以及國產(chǎn)高性能纖維技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究

TQ327.3， TS102.4

A

1004-7093(2017)03-0001-06