碳纤维复合材料的知识盘点

碳纤维复合材料的知识盘点

目录

1.前言...........................................................................1

2.常见碳纤维材料品种..........................................................2

2.1.碳纤维增强陶瓷基复合材料.................2

2.2.碳/碳及合材料............................2

2.3.碳纤维增强金属基复合材料................................................2

2.4.碳纤维(CF)增强PEEK复合材料.............3

2.5.碳纤维增强水泥基复合材料................................................4

2.6.碳纤维增强树脂基复合材料................4

3.碳纤维复合材料的八大应用领域及技术进展.....................................5

3.1.CFRP作为导弹、空间平台和运载火箭的关键材料...........................6

3.2.CFRP作为航空器的结构材料...............................................8

3.3.CFRP作为先进舰船船体结构...............9

3.4.CFRP作为轨道交通车辆的车体结构.........12

3.5.CFRP作为电动汽车的车体结构.............14

3.6.CFRP作为新概念货运卡车的车体结构.....................................16

3.7.CFRP作为风电叫片的增强结构.............17

3.8.碳纤维纸作为燃料电池的电极气体扩散材料................................19

1.前言

复合材料(Compositematerials),是由两种或两种以上不同性质的材料，

通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上

互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足

各种不同的要求。

碳纤维增强树脂基复合材料是以有机高分子材料为基体、碳纤维为增强材

料，通过复合工艺制备而成，具有明显优于原组分性能的一类新型材料”。它

具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计一性强、便于大面积整体

成型以及具有特殊电磁性能等特点，已经成为最重要的航空结构材料之一。

碳纤维增强树脂基复合材料所用基体树脂主要分为两大类，一类是热固性

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树脂，另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预聚体或带有活性

基团高分子量聚合物组成，成型过程中，在固化剂或热作用下进行交联、缩

聚，形成不熔不溶的交联体型结构。常用的有环氧树脂、酚醛树脂、双马来亚

酸胺树脂等。热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成，在一定条件下溶解和熔

融，只发生物理变化。常用的有聚乙烯、尼龙、聚醛酸酮等。

2.常见碳纤维材料品种

2.1.碳纤维增强陶瓷基复合材料

陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性，广泛应用于工

和民用产品。但是，它的致命弱点是脆性大，并且对裂纹、气孔和夹杂物等细

微的缺陷很敏感。用碳纤维增强陶瓷可有效地改善韧性，改变陶瓷的脆性断裂

形态，同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。目前国内外比较成熟的

碳纤维增强陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料、因其具有优良的高温力学性

能，在高温下服役不需要额外的隔热措施，因而在航空发动机、可重复使用航

天飞行器等领域具有广泛应用。

2.2.碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是碳纤维增强碳基复合材料的简称，也是一种高级复合材

料。它是由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成。碳/碳复合材料

主要由各类碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。这种完全由人工设计、制造

出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能，除具备高强度、高刚性、

尺寸稳定、抗氧化和耐磨损等特性外，还具有较高的断裂韧性和假塑性。特别

是在高温环境中，强度高、不熔不燃，仅是均匀烧蚀.这是任何金属材料无法与

其比拟的。因此广泛应用于导弹弹头，固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等

高科技领。

2.3.碳纤维增强金属基复合材料

碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维，金属为基体的复合材

料。碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比，具有高的比强度和比模量;与

陶瓷相比，具有高的韧性和耐冲击性能。金属基体多采用铝、镁、银、钛及它

们的合金等。其中，碳纤维增强铝、镁凝合材料的制备技术比较成熟。制造碳

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纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层，以防止在复合

过中损伤碳纤维，从而使复合材料的整体性能下降.目前，在制备碳纤维增强金

属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等，但因其过程

复杂、成本高，限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。

2.4.碳纤维(CF)增强PEEK复合材料

随着社会的进步，碳纤维的应用发展非常迅速。在基体方面，热固性树脂

基体首先被使用，如热固性碳纤维复合材料虽具有良好的性能，但由于生产效

率和生产成本不理想，且无法二次加工和回收利用，随之热塑性碳纤维顺应发

展起来。碳纤维增强PEEK就是热塑性碳纤维复合材料中的一种，为大家具体

介绍下。

PEEK是聚酸酷酮的缩写，具有优良的机械性能、耐热性和耐化学性，具

有良好的承载啮合性和低摩擦系数，是一种很好的自润滑材料。在此基础上，

碳纤维的增强不仅可以进一步提高其力学性能，而且也影响着其摩擦性能。

碳纤维增强PEEK复合材料是指碳纤维以粉末、颗粒、连续纤维或织物形

式增强PEEK树脂基的复合材料。其中，医疗、军工等行业大多采用粉末热压

成毛坯，然后加工成型;纺织印染和机械工业大多采用短纤维造粒，进行注塑成

型;当连续纤维或织物增强时，复合材料的性能可以进一步提高，多用于航空航

天、石油管道等。在复合材料中，树脂基体具有优异的机力学性能、热性能、

耐化学腐蚀性和易加工性能;增强纤维主要决定复合材料的机械性能。

CF是一种高强度、高模量纤维的新型纤维材料，含碳量超过90%。重量

轻、高强度是其最显著的特点。密度只有1.7g/cm)不到钢的1/4,但强度是

钢的几倍;纺织纤维柔软可加工;电化学活性低，耐腐蚀性好，可有效延长使用

寿命。其复合材料具有耐高低温、热膨胀系数小、吸能抗振、一定的导电性和

导热性、x光透光性好、生物相容性好等优点。

在室温下，与纯PEEK相比，30%碳纤增强聚酸酸酮复合材料的拉伸强度

增加了一倍，在150℃下达到三倍。同时，增强后的复合材料也大大提高了冲

击强度、弯曲强度和模量，伸长率急剧下降，热变形温度可超过300C。复合

材料的冲击能量吸收率直接影响复合材料在冲击过程中的性能，CF增强聚甦醒

酮复合材料显示出高达180kJ/kg的比吸能能力。

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碳纤维的增强效应还能在一定程度上抵抗PEEK的热软化，形成高强度的

转移膜，有效保护接触区域。因此，碳纤维增强PEEK复合材料的摩擦系数和

磨损率明显低于纯PEEK。在同等实验条件下，玻璃纤维PEEK复合材料的耐

摩擦磨损性能明显要低于CF增强聚酸酸酮复合材料.，在耐磨性方面碳纤维高

于玻璃纤维5倍以上。采用CF增强PEEK复合材料来制作零部件的话，可避

免出现金属或陶瓷材料表面裂纹等的缺陷，其优异的摩擦性能甚至超过超高摩

尔质量的聚乙烯。

2.5.碳纤维增强水泥基复合材料

将碳纤维加人到水泥基体中即制成碳纤维增强水泥基复合材料(Carbon

FiberReinforcedCe-mentCompoistes,简称CFRC),称纤维增强混凝土。在水

泥基材料中掺入高强碳纤维是提高水泥复合材料抗裂、抗渗、抗剪强度和弹性

模量，控制裂纹扩展，提高耐强碱性，增强变形能力的重要措施。

此外，碳纤维还具有震动阻尼特性，可吸收震动波，使防地震能力和抗弯

强度提高十几倍。更为可贵的是，碳纤维具有导电性，将其加入到水泥基体

中，赋于水泥基体智能性，极大地扩大了混凝土的应用范围。

CFRC复合材料在承受负荷时表面不产生龟裂，其抗拉强度和抗弯强度、

断裂韧性比不增强的高几倍到十几倍，其冲击韧性也相当可观。短切碳纤维增

强水泥所用碳纤维的长度一般为3〜6nm,直径为7~20klm,抗拉强度范围在

0.5〜0.8GPa。普通水泥的强度通常为11.76MPa,若按重量掺入15%的碳纤

维，其强度可达到245MPa;若掺人量为20%时，强度可高达548.8MPa。

此外，与普通混凝土相比，CFRC具有质轻、强度高、流动性好、扩散性

强、成型后表面质量高等优点，将其用作隔墙时，比普通混凝土制作的隔墙薄

1/2〜1/3,重量减轻1/2〜1/3。CFRC有多种规格，其中短切碳纤维增强混凝

土主要用在屋面、外墙、内墙、地面、天棚等方面;长纤维混凝土用在承重构件

方面，由它制成的构件尺寸稳定，同时还具有防静电性、耐磨耗、耐腐蚀等性

能，因此，CFRC性能的研究近年来发展迅猛。

2.6.碳纤维增强树脂基复合材料

目前复合材料的制造主流偏向轻量化与绿色环保，这种材料的应用领域很

广泛。我国自主研发并得到应用的轻量化材料主要有：高性能钢材、轻质铝合

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金、高强度塑料以及一些复合型材料，其中复合型材料主要以纤维增强树脂基

复合材料为主。

同其他金属材料相比，碳纤维增强树脂基复合材料具有一系列的性能优

势：

1、密度小，质量轻。碳纤维增强树脂基复合材料密度仅有1.6g/cn?,用

其取代金属材质可让产品质量变轻。

2、耐疲劳、寿命长。碳纤维增强树脂基复合材料的疲劳强度可达到其静

强度的80%,不会有长久变形的情况，安全系数高、稳定性好。

3、耐化学腐蚀性好。在一般的碱性环境下呈惰性，对有机溶剂、酸、碱

都有良好的耐腐蚀性。

4、热膨胀系数小。在常温条件下，碳纤维增强树脂基复合材料的膨胀系

数为负值，在200℃〜400℃环境下，膨胀系数接近于0,材料尺寸稳定性好。

5、有优异的振动衰减功能，可以降低振动和噪声;摩擦系数接近0,耐磨

性好，可以减少部件磨损，提高产品的配合顺畅度。

6、导电导热性优异。导电效果良好，电阻率约为IO"Q-cm;导热效果

好，不蓄热，最佳状态下导热系数可达1000W/(m-K)。

碳纤维增强树脂基复合材料是航空航天高技术产品的重要组成部分，它有

效地降低了飞行器的绢构质量，并在降低成本的同时增加有效载荷和射程，成

为现代大型飞机的首选结构材料。除此之外，碳纤维增强树脂基复合材料还以

优异性能广泛应用于新能源开发、太空探索、建筑、汽车等多领域。

目前热固化方式是碳纤维增强树脂基复合材料的主要固化方式，不过这种

热固化方式的周期长、能量损耗大、制造成本高。但是随着复合材料制造工艺

技术的发展，涌现出了多种快速固化方式，如电子束固化、微波固化和激光固

化等。相信随着科技的发展，复合材料的发展会越来越广泛。

3.碳纤维复合材料的八大应用领域及技术进展

碳纤维是非常重要的无机高性能纤维，其首个市场化应用是1972年市售

的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后，碳纤维应用快速向以航空航天材料为代表的

高端化发展。

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

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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。

3.1.CFRP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、相机馍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。

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nA.

(Triden2D5)潜射导弹

图1CFRP在导弹武器上的应用示例

图2CFRP在卫星和空间站上的应用示例

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图3CFRP在运载火箭上的应用示例

3.2.CFRP作为航空器的结构材料

在大型先进飞机中，CFRP被广泛用作主承力结构材料。且在近期研制成

功的新型飞艇中，CFRP也被用做结构材料。

20世纪70年代中期的石油危机是碳纤维应用于飞机制造的直接原因。为

缓解能源危机，当时的美国政府启动了“飞机节能计划”。现代飞机机身采用

钢、铝、钛等金属和复合材料制成。为节约燃油和提高运营效益，减轻机身质

量一直是飞机设计制造技术中的核心挑战之一。而CFRP在飞机机身制造上的

成熟应用为减轻飞机机身质量提供了最有效的途径。例如，以金属材料为主制

成的波音767飞机（CFRP用量仅占3%）机身质量为60t,而将CFRP用量提升

到50%时，新型飞机机身质量下降到483仅此就极大地提升了该型飞机的能

源和环境效益。

波音777X型飞机和最新投产的波音787型飞机，机身复合材料的用量都

达到了50%。波音777X型飞机是以波音777飞机为基型，正在开发的一种大

型双引擎客机，首架飞机于2020年交付投入运营。波音777X飞机的主翼由

CFRP制成，其翼展长约72m（235英尺），是目前客机中翼展最长的机型之

一。翼展越长，升力越大，因此，波音777X的单座燃油消耗和运营成本都非

常有竞争力。此外，CFRP机翼不仅强度高、柔性好，且末端可折叠，这样多

数机场都能满足其宽翼展的停机需求。波音787飞机的主翼和机身等主承力结

构都采用日本东丽公司的碳纤维预浸料制造。2005年11月，东丽公司与美国

波音公司签署了一项为期10年的协议，为波音787梦想号飞机提供碳纤维预

浸料。2015年11月9日，东丽公司宣布与美国波音公司达成综合协议，将为

波音公司生产的787和777X两型飞机提供碳纤维预浸料。波音公司计划提高

787飞机的月产量，将从2015年的10架提高到2016年的12架、2020色的

14架;同时，大型模块的比率也将提高，这将极大地促进对CFRP的需求。为

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保证波音787飞机月产量达12架后的材料供应，东丽复合材料（美国）公司已

于2016年1月完成了扩产;同时.,日本东丽公司决定在斯帕坦堡县厂区内建设

包含原丝、碳纤维和预浸料在内的一体化生产线，设计年产能为20003这是

东丽公司首次在美国建设一体化的碳纤维生产线，以用于研发波音777X飞机

和满足月产14架波音787飞机的需求。

图4CFRP在大型客机机身及承力结构中的应用

2016年8月17日，英国研制的大型飞艇完成了其处女航。这架飞艇是一

种轻于空气的航天器，被设计用来执行侦察、监视、通信、货物与救援物资的

运输，以及乘客交通等。该飞艇采用日本可乐丽公司生产的聚芳酯织物作蒙

皮，蒙皮内充满了带压氨气;其形状结构材料采用CFRP,最大化地减轻了飞艇

自身质量。无人值守的情况下，该飞艇一次可最长在空中漂浮5天。

3.3.CFRP作为先进舰船船体结构

CFRP对提高舰船的结构、能耗和机动性能等非常明显。

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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月下水的瑞典海军尹卫

舰是世界第一艘在舰体结构中采用CFRP的海军舰艇。该舰长73.0m、宽

10.4m、吃水深度2.4m、排水量600t;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。

图6CFRP在舰船船体结构中的应用

由于成本原因，虽船舶中大量使用CFRP还有待时日，但其已实际用于制

造民用新概念船艇和军用舰船关键部件。2010年，德国Kockums公司制造了

一条几乎全部采用CFRP的新概念太阳能探险船c该船长31.0m、宽15.0m,

以太阳能为动力。2010年9月27日，瑞典探险家驾驶该船出海，开始环球探

险航行。

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图7CFRP在新概念船艇中的应用

CFRP还已用于舰船推进器叶片、一体化桅杆和先进水面舰艇上层建筑的

制造。

低噪声、安静运行是军用舰船领域的一项核心技术，是舰船（特别是潜艇）

性能的关键指标。因为螺旋桨高速运转时，其桨叶片上会产生时灭的空泡，导

致桨叶剥蚀，并伴有强烈的振动和噪声。CFRP叶片不仅更轻、更薄，还可改

善空泡性能、降低振动和水下特性、减少燃油消耗。

图8CFRP用于制造潜艇和货轮推进器系统的螺旋桨桨叶（a为以色列潜艇所用螺旋桨;b为CFRP

大型货轮螺旋桨）

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图9CFRP用于制造游艇的推进器系统（英国罗伊斯罗尔斯公司为班尼蒂游艇生产）

此外，隐身也是评价军用舰船先进性水平的一项重要指标。提高隐身性能

必须减小舰船体的雷达反射截面，并降低其光学特性。在过去，舰船上层建筑

上都竖立着多根挂满各种鞭状和条状的天线桅杆，它们极大地阻碍了舰船在探

测设备中的隐身能力。1995年，美军开始研究一体式桅杆系统，其将各种天

线设计成平面形或球形阵列，并集成于采用能反射电波的复合材料制成的一体

式桅杆系统中，可防风雨和盐雾的侵害。且更进一步的是，美军下一代作战舰

艇的整个上层建筑都采用复合材料制造。

该舰是美国海军的下一代主战舰艇，其集成了当今最尖端的海军舰船技

术，舰体造型、电驱动力、指挥控制、情报通信、隐身防护、侦测导航、火力

配置等性能均具超越性。特别值得注意的是，该舰上层建筑及内嵌天线系统由

美国雷神公司负责设计制造，采用了一体化模块式复合材料结构，质量轻、强

度高、耐锈蚀、透波性好，具有极佳的隐身性能，被发现概率低于10%o

图10特级驱逐舰及施工中的复合材料上层建筑

3.4.CFRP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

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体强度高，但质量大、能耗高。

CFRP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。

1节地铁列车中间车辆各部分的质量比例，其中车身质量约占36%、主载

设备约占29%、内部装饰约占16%。由于车载设备几乎没有减重空间，因

此，车身和内部装饰就成为了轻量化的重点对象。2000年，法国国营铁路公

司采用碳纤维复合材料研制出双层TGV型挂车;韩国铁道科学研究院以此为基

础，研制出运行速度为180km/h的TTX型摆式列车车体，其采用不锈钢增强

骨架，侧墙体和顶盖采用铝蜂窝夹芯，蒙皮采用CFRP构成的三明治结构，车

体外壳总质量比铝合金结构降低了40%,且车体强度、疲劳强度、防火安全

性、动态特性等性能良好，并于2010年投入商业化运营。

16%

图11地铁列车中间车辆各部分的质量比例

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图12TTX型摆式列车车体

2011年，韩国铁道科学研究院(KRRI)研制出CFRP地铁转向架构架，质量

为635kg，比钢质构架的质量减少约30%。日本铁道综合技术研究所(JRTI)与

东口本客运铁道公司联合研制的CFRP高速列车车顶，使每节车箱减轻

300〜500kg。2014年9月，日本川崎重工(Kawasaki)研制的CFRP构架边梁,

其质量比金属梁减少约40%。

3.5.CFRP作为电动汽车的车体结构

材料系统实验室关于材料对汽车轻量化和降低生产成本的研究表明，汽车

质量每减轻10%,油耗可降低6%。现有材料中，CFRP的轻量化效果最好;加

之，汽车设计和复合材料技术的快速发展。这些都使得CFRP在汽车制造领域

的应用速度远远超出人们的预期。

某型号车的推出引领了这一潮流。2008年在慕尼黑召开会议，目的是让

城市交通技术发生彻底的变革，其建立了一个“i计划(Projecti)”的智库，唯

一的任务就是“忘掉以前所做的一切，重新思考一切”。2009年，该智库形

成了一个全新的节能概念一一“有效动力愿景”，奠定了公司后续研究的思想

基础，它要求对车身和驱动系统进行专门的设计，以达到全新的节能性，而此

前的想法都是将己有的节能技术集成到既有的模板中。2011年，公司确立了

“天生电动，其让人们在日常驾驶出行中用上了全电动能源;同年，第一款全电

动概念车实现技术演示。2012年，兼具高能效和更优异运动跑车性能的概念

车推出，其采用CFRP、铝和钛等轻质材料，实现了突破意义的减重;同年，全

新电驱动系统推出，实现了零排放。推出新型车，该车整车质量仅1245kg,

一次充电续航里程可达200km,且百公里加速时间7.3s,灵活性独特。

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其中，采用“LifeDrive”模块化车身架构设计，由乘员座舱(Life)模块和底

盘驱动(Drive)模块两部分组成。乘员座舱模块又称生命模块，其构成驾乘人员

的乘用空间，采用CFRP制成的生命模块，质量轻、安全性非常高，且乘用感

宽敞、均称。底盘驱动模块又称eDrive驱动系统，其结构由铝合金制成，集成

了电机(最大功率125kW,最大扭矩250N-m)、电池和燃油发动机等动力部

件。

图14车体上部的生命模块

公司通过与SGL汽车用碳纤维材料公司合作，历经10多年研发，开始生

产自己所需的碳纤维。其新型车中生命模块的制造工艺：将碳纤维织成织物后

浸润于专用树脂中，制成预浸料;将预浸料热定型成刚性车身零件;采用专门开

发的技术，将车身零件全自动地黏合成完整的车身部件。所得CFRP车身具备

极高的抗压强度，能承受更快的加速度，整车的敏捷性和路感都非常好。

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图15CFRP车体制造工艺

3.6.CFRP作为新概念货运卡车的车体结构

世界零售业巨头沃尔玛公司在美国拥有1支由近6000辆货车组成的卡车

车队，它们会将产品送至遍布于美国的数千家门店。该车队为保持持续的生存

能力和效率，一直以“行驶里程更少，运输量更多”为目标，依靠提高司机驾

驶技术、采用先进牵引挂车、改进过程与系统筹划等措施，实现2007・2015年

间车队行驶超480万km,运送集装箱数超8亿，运输效率较2005年提高

84.2%o

其中，牵引挂车的性能对实现“多拉少跑”的目标关系重大，故沃尔玛公

司投入巨资开展“先进车辆体验”的新概念卡车研究计划。己研制的新概念卡

车集成了空气动力学、微型涡轮混合动力驱动系统、电气化、先进控制系统，

以及CFRP车体等前沿技术。主要技术创新：先进的空气动力学设计，整体造

型优雅，气动性能较现行的386型卡车提高20%;微型涡轮混合电力驱动系统

清洁、高效、节油;司机座位设计于驾驶室中央，具有180。的视野;电子仪表

盘可提供定制化的量程和性能数据;滑动型车门和折叠型台阶提高了安全和安保

性能;空间宽敞的驾驶室设有带折叠床的可伸缩卧室。牵引挂车的整个车身采用

CFRP制成，顶部和侧墙均采用16.2in（53英尺）长的单块板材，其优异的力学

性能可确保车体的结构强度;采用先进黏结剂黏合，最大限度地减少了钾钉数

量;凸鼻形的造型设计可在充分保证载货容量的前提下，有效提高气动性能;低

剖面LED灯光更节能、耐用。

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图16新概念卡车

目前，该计划已完成84%的任务量，但仍有许多创新性技术有待继续研

发。可以预见，沃尔玛公司的新概念卡车对推进卡车技术的进步和拓展碳纤维

的应用，有非常大的作用。

3.7.CFRP作为风电叶片的增强结构

风能是最具成本优势的可再生能源，风能发电在近io年来已取得飞速发

展。

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500kW,而如今，单机容

量10MW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10MW及以上能力的风力发电机存有争议，但主流观点

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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10MW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。

190m"

120m

的90m

BOm

50mL二中

25ms”

1990199520002005201020152020

图17叶片直径的增长过程

叶轮直径的增加对叶片的质量及抗拉强力提出了更轻、更高的要求。CFRP

是制造大型叶片的关键材料，其可弥补玻璃纤维复合材料(GFRP)的性能不足。

但长期以来，出于成本因素，CFRP在叶片制造中只被用于楔帽、叶根、叶尖

和蒙皮等关键部位。近年，随着碳纤维价格稳中有降，加之叶片长度进一步加

长,CFRP的应用部位增加,用量也有较大提升。2014年，成功研制出国内最

长的6MW风机叶片，该叶片全长77.7m、质量283其中主梁由5t的国产

CFRP制成。如采用GFRP设计，则该叶片质量将约达36K

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图186MW风机叶片加工与试验现场

3.8.碳纤维纸作为燃料电池的电极气体扩散材料

燃料电池是指不经过燃烧，直接将化学能转化为电能的一种装置。燃料电

池在等温条件下工作，其利用电化学反应，将储存在燃料和氧化剂中的化学能

直接转化为电能，是一种备受瞩目的清洁能源技术，转化效率非常高（除10%

的能量以废热形式浪费外，其余的90%都转化成了可利用的热能和电能）且环

境友好;而相较之下，使用煤、天然气和石油等化石燃料发电时，60%的能量以

废热的形式浪费，还有7%的电能浪费在传输和分配过程中，只有约33%的电

能可以真正用到用电设备上。

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图19燃料电池与化石燃料发电利用率的比较

各类燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的功率密度大、能量转换

率高、低温启动性最好，且体积小、便携性好，是理想的汽车用电源。质子交

换膜燃料电池由阴极、电解质和阳极这3个主要部分组成，其工作原理：

(1)阴极将液氢分子电离。液氢流入阴极时，阴极上的催化剂层将液氢分子

电离成质子(氢离子)和电子。

(2)氢离子通过电解质。位于中央区域的电解质允许质子通过到达阳极。

(3)电子通过外部电路。由于电