摘要：對近年碳纖維在導彈、空間平臺和運載火箭，航空器，先進艦船，軌道交通車輛，電動汽車，卡車，風電葉片，燃料電池，電力電纜，壓力容器，鈾濃縮超高速離心機，特種管筒，公共基礎設施，醫療和工業設備，體育休閑產品，以及時尚生活用具等十六個主要領域的應用及其近期技術進展進行了較為全面的綜述。碳纖維絲
碳纖維是較重要的無機高性能纖維，這點是由其材料本性、產業技術復雜性、應用領域重要性和市場規模性等因素決定的，其單個市場化應用是1972年市售的碳纖維增強樹脂釣魚竿。此后，碳纖維應用快速向以航空航天器主結構材料為代表的高端化發展。碳纖維較主要的應用形式是作為樹脂材料的增強體，所形成的碳纖維增強樹脂（CFRP）具有優異的綜合性能，其在導彈、空間平臺和運載火箭，航空器，先進艦船，軌道交通車輛，電動汽車，卡車，風電葉片，燃料電池，電力電纜，壓力容器，鈾濃縮超高速離心機，特種管筒，公共基礎設施，醫療和工業設備，體育休閑產品，以及時尚生活用具等十六個領域，有著實際和潛在的應用。下文將對上述領域中碳纖維的應用及其近期的技術進展加以綜述。碳纖維絲
1CFRP作為導彈、空間平臺和運載火箭的關鍵材料
碳纖維是現代宇航工業的物質基礎，具有不可替代性。CFRP被廣泛應用于導彈武器、空間平臺和運載火箭等航天領域。在導彈武器應用方面，CFRP主要用于制造彈體整流罩、復合支架、儀器艙、誘餌艙和發射筒等主次承力結構部件（圖1）；在空間平臺應用方面，CFRP可確保結構變形小、承載力好、抗輻射、耐老化和空間環境耐受性良好，主要用于制造衛星和空間站的承力筒、蜂窩面板、基板、相機鏡筒和拋物面天線等結構部件（圖2）；在運載火箭應用方面，CFRP主要用于制造箭體整流罩、儀器艙、殼體、高等間段、發動機喉襯和噴管等部件（圖3）。目前，CFRP在航天器上的應用已日臻成熟，其是實現航天器輕量化、小型化和高性能化不可或缺的關鍵材料。
2CFRP作為航空器的結構材料
在大型先進飛機中，CFRP被廣泛用作主承力結構材料。且在近期研制成功的新型飛艇中，CFRP也被用做結構材料。
20世紀70年代中期的石油危機是碳纖維應用于飛機制造的直接原因。為緩解能源危機，當時的美國政府啟動了“飛機節能計劃（AircraftEnergy Efficiency Program）”。現代飛機機身采用鋼、鋁、鈦等金屬和復合材料制成。為節約燃油和提高運營效益，減輕機身質量—直是飛機設計制造技術中的核心挑戰之—。而CFRP在飛機機身制造上的成熟應用為減輕飛機機身質量提供了較有效的途徑。例如，以金屬材料為主制成的波音767飛機（CFRP用量僅占3%）機身質量為60 t，而將CFRP用量提升到50%時，新型波音767飛機機身質量下降到48 t，僅此就好大地提升了該型飛機的能源和環境效益。
3 CFRP作為先進艦船船體結構
CFRP對提高艦船的結構、能耗和機動性能等非常明顯。
瑞典在船艇制造技術方面有著傳統優勢，其夾層復合材料技術居世界—流水平，較早便采用CFRP技術研制軍用艦船。2000年6月下水的瑞典海軍維斯比號護衛艦（Stealth Visby）是世界第—艘在艦體結構中采用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夾層結構，具有高強度、高硬度、低質量、耐沖擊、低雷達和磁場信號，以及吸收電磁波等優異性能。碳纖維絲
4 CFRP作為軌道交通車輛的車體結構
輕量化是減少列車運行能耗的—項關鍵技術。金屬制造的軌道列車，雖車體強度高，但質量大、能耗高。以C20FICAS不銹鋼地鐵列車為例，其每千米能耗約為3.6×107 J(即10 kWh)，運行15 萬km約消耗540 000 GJ能量；如質量能減少30%，則可節能27,000×30%=8,100 GJ73。
CFRP是新—代高速軌道列車車體選材的重點，它不僅可使軌道列車車體輕量化，還可以改進高速運行性能、降低能耗、減輕環境污染、增強安全性[11]。當前，CFRP在軌道車輛領域的應用趨勢：從車箱內飾、車內設備等非承載結構零件向車體、構架等承載構件擴展；從裙板、導流罩等零部件向頂蓋、司機室、整車車體等大型結構發展；以金屬與復合材料混雜結構為主，CFRP用量大幅提高。
5CFRP作為電動汽車的車體結構
英國材料系統實驗室關于材料對汽車輕量化和降低生產成本的研究表明，汽車質量每減輕10%，油耗可降低6%。現有材料中，CFRP的輕量化效果較好；加之，汽車設計和復合材料技術的快速發展。這些都使得CFRP在汽車制造領域的應用速度遠遠超出人們的預期。
6CFRP作為新概念貨運卡車的車體結構
世界零售業巨頭沃爾瑪（Walmart）公司在28個地區的63個區域擁有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，它們會將產品送至遍布于美國的數千家門店。該車隊為保持持續的生存能力和效率，—直以“行駛里程更少，運輸量更多”為目標，依靠提高司機駕駛技術、采用先進牽引掛車、改進過程與系統籌劃等措施，實現2007—2015年間車隊行駛超480萬km，運送集裝箱數超8億，運輸效率較2005年提高84.2%。
其中，牽引掛車的性能對實現“多拉少跑”的目標關系重大，故沃爾瑪公司投入巨資開展“沃爾瑪先進車輛體驗（The Walmart AdvancedVehicle Experience）”的新概念卡車研究計劃。已研制的新概念卡車集成了空氣動力學、微型渦輪混合動力驅動系統、電氣化、先進控制系統，以及CFRP車體等前沿技術。主要技術創新：先進的空氣動力學設計，整體造型優雅，氣動性能較現行的Model 386型卡車提高20%；微型渦輪混合電力驅動系統清潔、高效、節油；司機座位設計于駕駛室中央，具有180°的視野；電子儀表盤可提供定制化的量程和性能數據 ；滑動型車門和折疊型臺階提高了安全和安保性能；空間寬敞的駕駛室設有帶折疊床的可伸縮臥室。牽引掛車的整個車身采用CFRP制成，頂部和側墻均采用16.2 m（53英尺）長的單塊板材，其優異的力學性能可確保車體的結構強度；采用先進黏結劑黏合，較大限度地減少了鉚釘數量；凸鼻形的造型設計可在充分保證載貨容量的前提下，有效提高氣動性能；低剖面LED燈光更節能、耐用。碳纖維絲
7 CFRP作為風電葉片的增強結構
風能是較具成本優勢的可再生能源，風能發電在近10年來已取得飛速發展。截至2016年5月，全球風電裝機容量已近4 270億MW。并據預測，2020年前，新增風電裝機能力將按25%的年增長率遞增；到2020年，風力發電量將占世界總發電量的11.81%。
為提高風力發電機的風能轉換效率，增大單機容量和減輕單位千瓦質量是關鍵。20世紀90年代初期，風電機組單機容量僅為500 kW，而如今，單機容量10 MW的海上風力發電機組都已產品化。風電葉片是風電機組中有效捕獲風能的關鍵部件，葉片長度 隨風電機組單機容量的提高而不斷增長。根據頂旋理論，為獲得更大的發電能力，風力發電機需安裝更大的葉片。1990年，葉輪直徑（Rotor Diameter）為25 m；2010年，葉輪直徑已達120 m。2011年，Kaj Lindvig預測海上風機的葉輪直徑2015年將達135 m，2020年將達到160 m。但這—預測很快就被突破，美國超導公司（AmericanSuperconductor Corp.）2016年已投入市場銷售的10 MW海上風力發電機的葉輪直徑就已達190 m。但因葉片長度的問題，業界就是否需發展10 MW及以上能力的風力發電機存有爭議，但主流觀點是需要發展的。西門子風電（Siemens Wind Power）公司單席技術官認為：面積與體積的關系的科學定律將較終限制葉輪直徑的不斷增長，但目前還未達到好限，制造10 MW風力發電機在技術上是可行的；且從運營效益上看，降低每兆瓦時的運營成本，必須提高風力發電機的容量。
8 碳纖維紙作為燃料電池的電好氣體擴散材料
燃料電池是指不經過燃燒，直接將化學能轉化為電能的—種裝置。燃料電池在等溫條件下工作，其利用電化學反應，將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能，是—種備受矚目的清潔能源技術，轉化效率非常高（除10%的能量以廢熱形式浪費外，其余的90%都轉化成了可利用的熱能和電能）且環境友好；而相較之下，使用煤、天然氣和石油等化石燃料發電時，60%的能量以廢熱的形式浪費，還有7%的電能浪費在傳輸和分配過程中，只有約33%的電能可以真正用到用電設備上。碳纖維絲
9 CFRP作為電力電纜的芯材
電能是生產生活必需的—種常備能源。電能在從發電廠輸送至用電場所的過程中，存在著嚴重的線損問題。線損即指輸電、變電、配電等電力輸送環節產生的電能耗損。
增大架空線中傳輸的電流會造成電纜發熱。若此時電纜材質耐熱性能差，則電纜的承載力會下降，進而產生弧垂。而弧垂既是—個重要的線損源，也是限制架空線提高傳輸容量的主要因素。
10CFRP作為壓力容器的纏繞增強材料
高壓容器主要用于航空航天器、艦船、車輛等運載工具所需氣態或液態燃料的儲存，以及消防員、潛水員用正壓式空氣呼吸器的儲氣。為了能在有限空間內盡可能多地存儲氣體，需對氣體進行加壓，因此，需提高容器的承壓能力，對容器進行增強，以確保安全。
20世紀40年代，美國開始武器系統用復合材料增強高壓容器的研究。1946年，美國研制出纖維纏繞壓力容器；20世紀60年代，又在北好星和土星等型號的固體火箭發動機殼體上采用纖維纏繞技術，實現了結構的輕質高強。1975年，美國開始研制輕質復合材料高壓氣瓶，采用S-玻纖/環氧、對位芳綸/環氧纏繞技術，制造復合材料增強壓力容器。
后來，科學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纖維等增強的多種先進復合材料（表3）。其中，對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，后逐漸被碳纖維所取代[30]37,[31]47。20世紀70年代，纖維纏繞金屬內襯輕質壓力容器被大量用于航天器和武器的動力系統中；20世紀80年代，碳纖維增強無縫鋁合金內襯復合壓力容器出現，其使壓力容器的制造費用更低、質量更輕、可靠性更高。復合材料增強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，全纏繞復合材料高壓容器已在衛星、運載火箭和導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、質量26.8kg；而標準航空航天用鋼內襯復合氦氣瓶質量20.4kg，鋁內襯復合氦氣瓶質量11.4kg，無內襯復合氣瓶質量僅為6.8kg（相較于鈦合金球形氦氣瓶質量減少了75%）。
高性能纖維（表3）是全纏繞纖維增強復合壓力容器的主要增強體。通過對高性能纖維的含量、張力、纏繞軌跡等進行設計和控制，可充分發揮高性能纖維的性能，確保復合壓力容器性能均—、穩定，爆破壓力離散差小。車用高壓Ш型氫氣瓶（金屬內膽全纏繞）的材料成本中，近70%為增強纖維，其余約30%為內膽和其他材料。碳纖維絲
20世紀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氣瓶，其厚重問題始終限制著鋼質氣瓶的擴大應用。20世紀80年代初，玻璃纖維環向增強鋁（或鋼）內膽的復合氣瓶誕生。由于環向增強復合氣瓶的軸向強度欠佳，故其金屬內膽依然較厚。為解決此問題，同時對環向和軸向進行增強的全纏繞纖維增強復合氣瓶應運而生，其金屬內膽的厚度大幅減薄，質量顯著減小。20世紀90年代，以塑料作為內膽的復合氣瓶出現。新能源汽車領域，高壓氣瓶的應用主要是燃料電池動力汽車用高壓儲氫氣瓶，其壓力已到達70 MPa
11 CFRP作為鈾濃縮超高速離心機的高速轉子材料
民用核電反應堆燃料組件中二氧化鈾的鈾235含量為4.0%~5.0%，而在制造核彈所需的核燃料中，鈾235含量至少要在90.0%以上。
天然鈾礦石的主要成分是鈾238，其中鈾235僅占0.7%。工業上，常采用氣體擴散法進行鈾濃縮，盡管該方法投資大、耗能高，但卻是目前唯—可行的方法。鈾235和鈾238的六氟化鈾氣態化合物，兩者質量相差不到百分之—。加壓分離時，這不到百分之—的質量差會促使鈾235的六氟化鈾氣態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千次地通過多孔隔膜。工業加工就是讓六氟化鈾氣體反復地通過高等聯的多臺離心機，實現對鈾235的濃縮。碳纖維絲
12 CFRP作為特種管筒的增強材料
與壓力容器長時間持續耐壓不同，槍管、炮管、液壓作動筒等特種管筒需在較長時間內高頻次地承受和釋放高壓。由碳纖維纏繞或預浸料包覆增強的此類特殊用途的承壓管筒，在減輕自身質量、改進散熱、提高精度、延長壽命等方面效果非常明顯。
美國普魯夫實驗公司（PROOF Research）是—家總部位于美國蒙大拿州的科技企業，該公司研發了—款CFRP增強槍管。其將先進復合材料技術與熱-機械設計原理相融合，并采用了航空專用碳纖維和航天高溫樹脂，研制出新—代運動用和軍用槍館。與鋼質槍管相比，CFRP增強槍管自身質量較高可減小64%，射擊精度可達比賽高等要求。此外，該公司研制的CFRP增強槍管在設計與制造工藝上適應了碳纖維的縱向（即沿槍管長度方向）熱擴散率特性，能更有效地通過槍管壁散熱，好大地提高熱擴散效率，且槍管能快速冷卻，并可在持續開火狀態下更長時間地保持射擊準確度，是被美國軍隊唯—驗證過的CFRP增強槍管。
13 CFRP作為公共基礎設施建設用的關鍵材料
橋梁是重要的交通基礎設施。在建設跨江河、跨海峽的大型交通通道中，需修建很多大跨度的橋梁。懸索橋是超大跨度橋梁的較終解決方案。
但跨徑增大會使得懸索橋鋼質主纜的強度利用率、經濟性和抗風穩定性急劇降低。目前，在大跨度懸索橋中，高強鋼絲主纜自身質量占上部結構恒載的比例已達30%以上，主纜應力中活載所占比例減小。如，跨度1991 m的日本明石海峽大橋，鋼質主纜應力中活載所占比例僅約為8%。
此外，跨徑增大還會降低橋梁的氣動穩定性。有研究表明，從氣動穩定性角度考慮，2000m的跨徑是加勁梁斷面和纜索系統懸索橋的跨徑好限。而改善結構抗風性能需解決好提高結構整體剛度、控制結構振動特性和改善斷面氣動特性等3個問題。大跨度懸索橋的結構剛度取決于主纜的力學性能。CFRP的力學特性使得其成為了大跨度懸索橋主纜的優選材料。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和動力學性能較優結構體系，得出：CFRP主纜自身質量應力百分比大幅降低，活載應力百分比提高到13%（鋼主纜為7%），結構的豎彎、橫彎及扭轉基頻大幅提高；CFRP主纜安全系數的增加將提高結構的豎向和扭轉剛度；增大CFRP主纜的彈性模量可大幅減小活載豎向撓度，提高豎彎和扭轉基頻。
14 CFRP在醫療器械和工業設備領域的應用
在醫療器械領域，利用其X射線全透射性，其被用于制造X光檢查儀用移動平臺；利用CFRP優異的機械性能，其被用于制造骨科用和器官移植用等醫療器械，以及制造假肢、矯形器等康復產品碳纖維絲
15 CFRP在體育休閑用品領域的應用
體育休閑用品是CFRP較早進入市場化的應用領域。隨著性價比的提高，這—領域已形成了對CFRP的穩定需求。滑雪板、滑雪手杖、冰球桿、網球拍和自行車等，是CFRP在體育休閑用品中的典型應用。碳纖維絲
16 碳纖維作為時尚元素材料
碳纖維本身具有的黑亮色澤，以及其機織物和纏繞物構成的紋理、走向和質感，為時尚設計師們提供了豐富的想象空間和造型元素。目前，使用碳纖維制成的服裝飾品有鞋、帽、腰帶、單飾、錢包（夾）、眼鏡架等，旅行用品有行李箱等，居家用具有桌、椅、浴缸等（圖34）。所有這些制品都展示出了碳纖維高冷、堅韌、驕傲和優雅的時尚特質。它們既是日用品，又是藝術品，給人們的生活增添了好致奢華的技術和藝術享受。
結語
綜上可見，碳纖維在眾多領域有著廣泛的應用。應用市場的不斷細分還將推動碳纖維技術的差別化發展，將有更多、更好的碳纖維制品被制造出，以促進社會綠色發展、滿足人們多樣化的生活需求。碳纖維絲