碳纖維各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛

碳纖維是發(fā)展國(guó)防軍工與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資，廣泛應(yīng)用于風(fēng)電葉片、航空航天、體育用品、汽車工業(yè)、混配模成型、壓力容器、建筑補(bǔ)強(qiáng)、電子電器等領(lǐng)域。2017年，風(fēng)電葉片依然是碳纖維第一大應(yīng)用領(lǐng)域，其消費(fèi)占碳纖維總需求量的23.5%；航空航天是除風(fēng)電葉片外的碳纖維第二大應(yīng)用領(lǐng)域，其消費(fèi)量占碳纖維總量的22.8%；體育休閑、汽車工業(yè)、混配模成型、壓力容器、建筑補(bǔ)強(qiáng)的消費(fèi)量分別占碳纖維總需求量的15.7%、11.6%、8.2%、6.7%、3.8%。

風(fēng)電葉片需求持續(xù)回暖

隨著地底礦業(yè)能源的不斷減少和大氣污染情況的日益嚴(yán)重，清潔可持續(xù)能源的發(fā)展利用逐漸被國(guó)家重視其中對(duì)環(huán)境影響很小的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目備受矚目。風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)機(jī)葉片是非常關(guān)鍵的一個(gè)部件，大型風(fēng)電設(shè)備對(duì)于葉片的強(qiáng)度、重量、結(jié)構(gòu)等有著嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)材料很難滿足要求，碳纖維這種性能優(yōu)秀的材料進(jìn)入行業(yè)視線。碳纖維要比玻璃纖維剛度大三倍，制作出來的碳纖維制品要比玻璃鋼性能優(yōu)秀很多。另外在其重量?jī)?yōu)勢(shì)也非常明顯，更輕的風(fēng)葉能夠降低風(fēng)力發(fā)電的成本，提升葉片的質(zhì)量和整套發(fā)電設(shè)備的總體性能。

全球風(fēng)電葉片對(duì)碳纖維的需求在2013年急劇下滑，主要原因是2013年國(guó)際新增裝機(jī)容量的下降。2014年以來，全球風(fēng)電葉片對(duì)碳纖維的需求持續(xù)回暖，2015年恢復(fù)了強(qiáng)勁增長(zhǎng)，2017年對(duì)碳纖維的需求量達(dá)1.98萬噸，同比增長(zhǎng)10.0%。

航空航天應(yīng)用前景廣闊

碳纖維成為航空多部件的主要材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪等部位。在航天領(lǐng)域上，碳纖維材料的應(yīng)用更加廣泛，在導(dǎo)彈、火箭等發(fā)射筒以及發(fā)動(dòng)機(jī)、防熱層中都出現(xiàn)碳纖維的身影。大大降低了航天器的質(zhì)量，提升了航天器的運(yùn)輸能力。2011年以來，全球航空航天領(lǐng)域?qū)τ谔祭w維的需求量不斷增長(zhǎng)；2017年，全球航空航天碳纖維需求量為1.92萬噸，同比增長(zhǎng)9.1%；預(yù)計(jì)到2023年，全球航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量有望超過3萬噸，航空航天碳纖維應(yīng)用前景廣闊。

體育休閑需求實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)

目前，體育領(lǐng)域是全球碳纖維的第三大消費(fèi)領(lǐng)域，近年來全球體育領(lǐng)域每年消耗碳纖維都超過7千噸，自2014年到2017年之間，體育領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求平均每年保持24.6%的增長(zhǎng)速度。碳纖維在體育休閑領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于高爾夫球桿、釣魚竿竿、自行車、球拍、滑雪桿等體育用品。相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料用品，碳纖維材料可減重最高達(dá)50%以上。

汽車領(lǐng)域消費(fèi)不斷增加

汽車領(lǐng)域隨著人們對(duì)汽車要求的越來越高，汽車的輕量化與安全化、發(fā)動(dòng)機(jī)效率的高效化已經(jīng)成為當(dāng)代汽車消費(fèi)的主要參考因素之一，碳纖維材料則成為了理想的結(jié)構(gòu)材料。目前碳纖維廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的推桿、連桿、傳動(dòng)軸等多部件中，另外在汽車加速器、底盤懸置件、車門等多部件也有很大應(yīng)用。2017年全年，全球汽車行業(yè)對(duì)碳纖維材料的需求達(dá)到0.98萬噸。

以上數(shù)據(jù)及分析均來自于前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2018-2023年中國(guó)碳纖維行業(yè)深度調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》。

碳纖維不僅可以提高動(dòng)力重量比和加強(qiáng)碰撞保護(hù)，還可以讓Polestar 1的底盤達(dá)到高性能汽車該有的堅(jiān)固度。該車引擎蓋、后備箱、側(cè)擋板、門和整個(gè)車頂結(jié)構(gòu)都將采用碳纖維嵌板，Polestar還進(jìn)一步推出了“蜻蜓”結(jié)構(gòu)，與四年前蘭博基尼Huracán結(jié)構(gòu)類似。Polestar表示，蜻蜓形部件從根本上改善了車體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)（即底板中間和前后架構(gòu)之間）的抗扭剛度。眾所周知，車后部更堅(jiān)固，操作更好。

總而言之，碳纖維可以減輕Polestar 1汽車500磅以上的重量。與鋼材相比，碳纖維在車頂設(shè)計(jì)上更具優(yōu)勢(shì)。得益于碳結(jié)構(gòu)更薄更堅(jiān)固的物理特性，Polestar可以利用玻璃面板延長(zhǎng)車頂長(zhǎng)度和寬度，從而獲得更低的車頂弧線，并且車內(nèi)的部件不再突出，這意味著乘客可以看到更廣闊的湛藍(lán)天空。

Polestar首席執(zhí)行官兼沃爾沃前設(shè)計(jì)主管Thomas Ingenlath說：“Polestar 1開起來跟看起來一樣好，請(qǐng)注意，它加上好的配置絕對(duì)值155,000美元。”

來源：余秋云 蓋世汽車

碳纖維布的特性

碳纖維布加固法能夠受到廣泛地認(rèn)同，與其優(yōu)異的性能離不開關(guān)聯(lián)。從力學(xué)性能上看，碳纖維布的抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到普通鋼筋的8-10倍，而重量卻遠(yuǎn)低于鋼筋，加固時(shí)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)自重的增加基本可以忽略。同時(shí)碳纖維布的抗腐蝕性、耐久性要遠(yuǎn)優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)，能夠有效提高結(jié)構(gòu)耐腐蝕性與耐久性，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)方法修復(fù)后，混凝土腐蝕、耐久性降低再次出現(xiàn)的情況。

在施工方面，碳纖維布加固同樣存在較大的優(yōu)勢(shì)。碳纖維布質(zhì)軟，能適用于不同的結(jié)構(gòu)類型與形狀，加固后可以最大限度的保證構(gòu)件的原有外觀不變。碳纖維布施工無需濕作業(yè)與大型施工機(jī)械，可在不影響工廠正常生產(chǎn)的情況下施工，避免長(zhǎng)期停工引起經(jīng)濟(jì)損失。與傳統(tǒng)工藝相比碳纖維布加固法操作簡(jiǎn)單，施工效率高工期短，且質(zhì)量容易保證，已成為較成熟的施工工藝。

碳纖維布的運(yùn)用

碳纖維布加固法能夠針對(duì)不同構(gòu)件，起到不同的加固作用。首先，碳纖維布較高的抗拉強(qiáng)度可由于受彎構(gòu)件的加固中，例如梁、板，通過將碳纖維布粘貼至底部受拉區(qū)，可有效代替或補(bǔ)充鋼筋的受拉性能，提高受彎構(gòu)件的承載力。另外在樓板開洞中，若洞口對(duì)板受力影響小時(shí)，還可在洞口周邊粘貼碳纖維布作為后加補(bǔ)償筋進(jìn)行加固。

另一方面，碳纖維布也可起到類似箍筋的作用，對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行抗剪加固?？辜艏庸炭梢酝ㄟ^粘貼碳纖維布U型箍對(duì)梁加固，也可通過粘貼與軸線方向垂直的碳纖維布環(huán)形箍對(duì)柱加固。在抗剪加固中需要注意不同構(gòu)件的構(gòu)造措施須滿足要求，同時(shí)梁與方型柱的棱角必須打磨成圓弧狀，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中影響碳纖維布受力性能。

碳纖維布還可通過環(huán)向圍束或沿軸線粘貼至受拉邊緣的方式分別對(duì)軸心受壓與大偏心受壓構(gòu)件起到加固效果，當(dāng)鋼筋混凝土延性不足需要抗震加固時(shí)，也可采用碳纖維布環(huán)向圍束的方式加固。而對(duì)小偏心受壓構(gòu)件以及墻體來說，碳纖維布僅能承受拉應(yīng)力而無法承受壓力，因此對(duì)二者的抗壓加固是起不到作用的。

需要注意的是，碳纖維布加固，是通過浸漬膠的粘接作用令碳纖維布與混凝土基材形成整體共同受力，以起到加固效果。也就是說，浸漬膠對(duì)最終加固效果有直觀的影響。不同種類的浸漬膠可能會(huì)影響到加固系統(tǒng)的使用年限，以及復(fù)雜環(huán)境下加固系統(tǒng)的耐久性。因此，涉及結(jié)構(gòu)安全的加固中，碳纖維布與配套浸漬膠的選擇應(yīng)當(dāng)慎重。

但是隨著強(qiáng)度更高、重量更輕的碳纖維材料被發(fā)明出來，鋁合金的地位明顯降低，尤其是在超跑領(lǐng)域，碳纖維大有取代鋁合金之勢(shì)。

全新奧迪R8便是很好的例子，之前老款?yuàn)W迪R8引以為傲的便是車架應(yīng)用大量鋁合金材料，如今全新奧迪R8已經(jīng)將車架中大量應(yīng)用碳纖維材料作為宣傳亮點(diǎn)。

除了在車架這些我們看不到的地方應(yīng)用碳纖維外，車身外飾件、內(nèi)飾件也越來越多的使用碳纖維材質(zhì)。在一些超級(jí)跑車上，輪圈甚至都是由碳纖維打造而來。鋁合金材質(zhì)的地位正逐步被取代。

碳纖維復(fù)合材料特性

汽車車身的輕量化主要從車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇與替代兩個(gè)方面著手。在材料輕量化方面，目前仍以高強(qiáng)度鋼、鎂、鋁和塑料作為主要汽車材料組合，其中尤其以碳纖維最為出色，其優(yōu)越性幾乎可以完全替代鋼材料。其中以樹脂和金屬為基體的復(fù)合材料在車身上的應(yīng)用較為成熟，具有應(yīng)用于車身制造的諸多優(yōu)勢(shì)。

1. 具有較高的強(qiáng)度。碳纖維復(fù)合材料具有目前常用材料中最高的比模量和比強(qiáng)度，用其制成與高強(qiáng)度鋼具有同等強(qiáng)度和剛度的構(gòu)件時(shí)，重量可減輕70%左右。
2. 具有良好的抗疲勞性。碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞性能極佳。由于在疲勞載荷作用下的斷裂是材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，碳纖維復(fù)合材料中碳纖維與基體間的界面能有效阻止疲勞裂紋擴(kuò)展，而外加載荷由增強(qiáng)纖維承擔(dān)，因而疲勞強(qiáng)度極限比金屬材料和其他非金屬材料高很多。
3. 碰撞吸能性好。碳纖維復(fù)合材料是汽車金屬材料最理想的替代材料，在碰撞中對(duì)能量的吸收率是鋁和鋼的4～5倍，減輕車身質(zhì)量的同時(shí)還能保證不損失強(qiáng)度或剛度，保持防撞性能，極大地降低了輕量化帶來的汽車安全系數(shù)降低的風(fēng)險(xiǎn)。
4. 制造工藝性好。碳纖維復(fù)合材料的工藝性和可設(shè)計(jì)性好，通過調(diào)整CFRP材料的形狀、排布、含量，可滿足構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度等性能要求，能用模具制造的構(gòu)件可一次成型，減少緊固件和接頭數(shù)目，可以大大提高材料利用率。

車身輕量化對(duì)續(xù)駛里程的影響

目前汽車車身重量的3/4是鋼材，輕量化空間很大。研究表明，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車身質(zhì)量?jī)H172kg，而鋼制車身為367.9kg，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕量化效果達(dá)53%以上。

由于純電動(dòng)汽車受安裝的動(dòng)力電池的容量限制，其一次充電后的續(xù)駛里程過短，成為影響純電動(dòng)汽車推廣使用的一個(gè)重要因素。如果用碳纖維復(fù)合材料來制造車身，將車身減輕的質(zhì)量用于增加電池?cái)?shù)量，在保持整車質(zhì)量不變的情況下，可以大大提高續(xù)駛里程。

應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可以極大地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車輕量化來平衡電池組的重量，增加純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。當(dāng)然，蓄電池組的安裝需要合適的空間，在不減小乘用空間的基礎(chǔ)上，合理控制碳纖維復(fù)合材料輕量化程度，可增加蓄電池組容量，既保證一定的續(xù)駛里程，同時(shí)也避免過分CFRP化帶來的的高成本問題。

碳纖維復(fù)合材料車身大規(guī)模應(yīng)用前景

制約碳纖維復(fù)合材料大范圍應(yīng)用的主要因素包括性價(jià)比、供應(yīng)商的結(jié)構(gòu)和能力、汽車發(fā)展和產(chǎn)品環(huán)境等影響。同時(shí)它的生產(chǎn)和加工技術(shù)還不夠成熟，應(yīng)用和研發(fā)成本較高，相關(guān)部門缺乏一定的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃等。

電動(dòng)汽車，尤其是純電動(dòng)汽車，對(duì)整車輕量化的迫切性比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車更強(qiáng)烈。整車輕量化可以車身輕量化為突破口。迄今為止的研究表明，碳纖維復(fù)合材料是最理想的車身輕量化材料。將碳纖維車身用在純電動(dòng)汽車上，可以在一定程度上抵消目前動(dòng)力蓄電池比能量不夠的問題。

汽車行業(yè)碳纖維使用現(xiàn)狀

在包括汽車在內(nèi)的其他行業(yè)，近幾年對(duì)碳纖維需求量增長(zhǎng)非常迅速，預(yù)計(jì)2020年將增長(zhǎng)至每年14萬噸。碳纖維在機(jī)動(dòng)車行業(yè)使用壽命為15年，在航空領(lǐng)域是20到25年，并且目前的飛機(jī)機(jī)身碳纖維占比為40%，所以在未來10年到20年，市場(chǎng)上會(huì)有大量的碳纖維材料需要去回收，中國(guó)2017年4月份出臺(tái)了《循環(huán)發(fā)展引領(lǐng)行動(dòng)》，10月份推出《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南》，里面都提到碳纖維復(fù)合材料的回收再利用。

如今除了寶馬I3碳纖維復(fù)合材料占比達(dá)50%，大部分燃油車依然是使用鋼材或者合金車身，新能源車之前多采用全鋁車身和碳纖維車身，隨著動(dòng)力的增強(qiáng)，為了削減成本也開始使用鋼鐵以及合金，比如特斯拉Model S采用全鋁車身，現(xiàn)在新款Model 3換成了鋼、鋁混合車身，寶馬I3將換成鋼、鋁、碳混合車身，國(guó)產(chǎn)新能源汽車更多是小型車，多采用低成本全鋁合金框架，整體汽車行業(yè)碳纖維使用率較低，難以實(shí)現(xiàn)極致的輕量化，碳纖維的回收勢(shì)在必行。

高效率回收仍面臨技術(shù)難關(guān)

首先熱固性的聚合物不能直接加熱重新塑型，并且而且回收材料往往摻雜污染物，如金屬以及塑料的碎屑，如果想要讓目前的回收技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，就必須要解決成本問題，在2018車用材料（西青）國(guó)際論壇中來自諾丁漢大學(xué)的孟凡然教授帶來了他們的實(shí)驗(yàn)成果。

目前的碳纖維回收工藝主要分為三種，機(jī)械法、化學(xué)法以及熱解法，機(jī)械回收方法并不適用于汽車用碳纖維復(fù)合材料的回收，且化學(xué)法回收仍然局限于實(shí)驗(yàn)室階段，距離工業(yè)化生產(chǎn)還有較大差距，因此目前熱解法是目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料回收技術(shù)。

目前的碳纖維回收工藝主要分為三種，機(jī)械法、化學(xué)法以及熱解法，機(jī)械回收方法并不適用于汽車用碳纖維復(fù)合材料的回收，且化學(xué)法回收仍然局限于實(shí)驗(yàn)室階段，距離工業(yè)化生產(chǎn)還有較大差距，因此目前熱解法是目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料回收技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)所采用的是熱解法中流化床的回收工藝，首先將廢料裝填進(jìn)流化床，流化床經(jīng)過500度以上的高溫，回收的聚合物通過氧化清除之后，剩下的就是碳纖維。碳纖維再經(jīng)過回收流程予以收集，剩下的廢氣可以進(jìn)行循環(huán)，整個(gè)流程可以回收廢物當(dāng)中的碳纖維，有效的分離污染物和碳纖維，包括其中的雜質(zhì)。并且利用廢氣的循環(huán)降低整個(gè)流程的耗能，實(shí)現(xiàn)了能量回流，擁有良好的市場(chǎng)前景。

不過回收的碳纖維和傳統(tǒng)材料是不一樣的，不能直接用于最終產(chǎn)品的制造，要用回收的碳纖維去進(jìn)行中間的處理，包括纖維的分布、懸浮、熱干燥等過程，最后還需要將得到的碳纖維進(jìn)行排列，利用旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)箍可以對(duì)纖維的方向進(jìn)行校正和統(tǒng)一，最后得到經(jīng)過調(diào)整和排列的碳纖維材料，用來生成高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料。

從回收料分解到后面復(fù)合物生產(chǎn)以及機(jī)動(dòng)車零部件生產(chǎn)，很多的變量都影響著回收的成本，包括輸送廢料的速度以及廢料的品質(zhì)，送料較快時(shí)能量消耗明顯減少。

同時(shí)，如果從全生命周期來看，再生碳纖生產(chǎn)的整車燃油經(jīng)濟(jì)性為20%到60%不等，回收的復(fù)合物可以降低溫室氣體排放，在進(jìn)行排列之后能夠帶來更高的強(qiáng)度，再生碳纖維的性能相較傳統(tǒng)材料，依然有明顯的優(yōu)勢(shì)。

來源：第一電動(dòng)網(wǎng)? 作者： 王寧

據(jù)報(bào)道在汽車工業(yè)中使用的碳纖維材料越來越多，這是驅(qū)動(dòng)汽車市場(chǎng)發(fā)展的因素之一。現(xiàn)在，汽車行業(yè)更傾向于使用節(jié)能、剛性和輕質(zhì)材料，以減少對(duì)環(huán)境的破壞，但加劇了原型設(shè)備制造商（OEM）和汽車制造商之間的競(jìng)爭(zhēng)，這可能會(huì)使碳纖維、鋁和鎂在內(nèi)的許多先進(jìn)材料更多的應(yīng)用在汽車上。

不過，該報(bào)告還指出影響這個(gè)市場(chǎng)的一個(gè)挑戰(zhàn)，即碳纖維的高價(jià)格和昂貴的研發(fā)費(fèi)用。樹脂和碳纖維等原材料價(jià)格的上漲增加了供應(yīng)商的采購(gòu)成本，使得碳纖維的平均價(jià)格高達(dá)每磅40美元至50美元。增加的采購(gòu)成本有一小部分是由碳纖維供應(yīng)商負(fù)擔(dān)，而主要份額則造成了客戶購(gòu)買的高價(jià)，這可能是汽車市場(chǎng)未來的挑戰(zhàn)。

來源：中國(guó)粉末冶金商務(wù)網(wǎng)

據(jù)了解，輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料在日常生活中具有廣泛的應(yīng)用，尤其是在航空、航天、汽車以及運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域。然而，碳纖維復(fù)合材料在制備和使用時(shí)存在諸多缺點(diǎn)：合成碳纖維需要高溫（超過2500攝氏度）石墨化，成本較高；由于較弱的界面作用，碳纖維與聚合物基體之間容易發(fā)生分層；碳纖維復(fù)合材料的電學(xué)性能較低，不能滿足特殊應(yīng)用需求。而新材料可在45攝氏度以下的室溫進(jìn)行制備，強(qiáng)度與碳纖維復(fù)合材料相當(dāng)，成本更加低廉，易實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)?；苽?。此外，這種薄膜材料的拉伸斷裂強(qiáng)度是普通石墨烯薄膜的4.5倍，韌性是后者的7.9倍。

程群峰介紹，該研究通過原位拉曼表征，從分子尺度揭示了π—π共軛鍵和共價(jià)鍵有序界面交聯(lián)作用的強(qiáng)韌機(jī)制，為制備高性能石墨烯納米復(fù)合材料提供了重要理論指導(dǎo)。同時(shí)，這種小分子有序交聯(lián)的石墨烯復(fù)合薄膜還具有高導(dǎo)電性能、高電磁屏蔽性能，以及優(yōu)異的抗腐蝕性能和耐疲勞性能。

來源：《人民日?qǐng)?bào)》 （2018年05月11日 01 版）