都說“物以稀為貴”，而隨處可見的碳根本就談不上“稀”。那么，碳纖維“貴”在何處，又“新”在哪里，居然能與黃金相提并論？

輕量為王，勇挑航天重任的“明星”

誕生于 20 世紀(jì) 60 年代的碳纖維，是以含碳有機(jī)纖維為原料，經(jīng)過高溫碳化和石墨化等工藝制成的含碳 90% 以上的新材料。航空航天是碳纖維應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，體現(xiàn)了先進(jìn)材料對(duì)現(xiàn)代尖端科技的支撐作用。

在航空航天領(lǐng)域，最常用的碳纖維為PAN 基長絲高性能碳纖維。什么是 PAN基長絲高性能碳纖維呢？PAN 的中文名稱為“聚丙烯腈”，“PAN 基”以聚丙烯腈為含碳有機(jī)纖維原料來制造碳纖維。除了 PAN 基碳纖維外，還有瀝青基、黏膠基和酚醛基等碳纖維。由于 PAN 基碳纖維生產(chǎn)工藝相對(duì)簡單，其成品擁有優(yōu)異的品質(zhì)和力學(xué)性能，因此是目前世界上新材料領(lǐng)域的“當(dāng)紅明星”。

“長絲”是相對(duì)于短絲而言的。按照纖維形態(tài)，碳纖維可以分為長絲、短纖維和短切纖維。它們都有特定的應(yīng)用場合，其中的長絲往往擁有更好的綜合性能，而被應(yīng)用于尖端科技領(lǐng)域。至于“高性能”，則是航空航天對(duì)碳纖維材料的核心要求。按照性能數(shù)值的高低，PAN基碳纖維可分為通用型（GP）、高強(qiáng)型（HT）、高模型（HM）、高強(qiáng)高模型（HP）等多種規(guī)格。其中的高模型和高強(qiáng)高模型是航空航天領(lǐng)域看好的功能材料。

不過，碳纖維通常以復(fù)合材料的形式被應(yīng)用于多種場合。所謂復(fù)合材料，是指由兩種或兩種以上單一材料經(jīng)復(fù)合工藝制成的多組元材料。這些組元的作用在于取長補(bǔ)短，相得益彰，使得復(fù)合材料能更好地滿足特定場合的需要。

碳纖維復(fù)合材料通常以樹脂材料（如環(huán)氧樹脂等）作為基體，主要作用是傳遞應(yīng)力，并把各種組元團(tuán)結(jié)為一個(gè)有機(jī)的整體，從而迎接各種負(fù)荷的挑戰(zhàn)。至于碳纖維，其定位就是“增強(qiáng)纖維”，其主要作用是承載負(fù)荷，也就是挑“大梁”的意思。

大飛機(jī)一直是國際競爭的制高點(diǎn)，其中復(fù)合材料已成為其制造的三大關(guān)鍵技術(shù)之一。用碳纖維與樹脂制成的復(fù)合材料制作大飛機(jī)的“外衣”，輕巧靈便、消耗動(dòng)力少，而且推力大，噪聲還低。如波音787 所用的復(fù)合材料就達(dá)到了 50%，不僅能有效克服自重與安全的矛盾，還能大幅降低飛機(jī)的能耗。

國產(chǎn)大飛機(jī)的誕生，標(biāo)志著我國碳纖維復(fù)合材料達(dá)到了相當(dāng)高的水平。我國科學(xué)家研制的 T800級(jí)高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料，成功應(yīng)用于 C919 大型客機(jī)。這是我國首個(gè)使用 T800 級(jí)高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的民用機(jī)型，標(biāo)志著我國在高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料制造方面取得了重要突破。

據(jù)悉，T800 級(jí)高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料是以增韌環(huán)氧樹脂為基體，T800 碳纖維為增強(qiáng)纖維的新型碳纖維材料。這是目前國際上民用飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛的復(fù)合材料。在 C919 上，像后機(jī)身和平垂尾等受力較大的部件，都使用了 T800級(jí)高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料。并且，由于輕質(zhì)先進(jìn)材料的應(yīng)用，使得 C919 的總重量減少了 7% 左右，這對(duì)于降低油耗等具有重要的意義。如今，我國 T1000 級(jí)超高強(qiáng)度碳纖維已經(jīng)破冰，有望在航空航天、國防以及民用工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

對(duì)于航天探索來說，“輕裝上陣”是最基本的要求。為了節(jié)約燃料消耗，減重就成為了首要問題。為了提高航天發(fā)射的效能，搭載必要的科學(xué)裝置等有效載荷是十分必要的。因此，從運(yùn)載火箭開始減重是一個(gè)不錯(cuò)的主意。運(yùn)載火箭減重絕不是要少帶燃料，而是要從燃料罐和氧化劑罐入手進(jìn)行減重。如果將傳統(tǒng)的鋁合金罐體換成碳纖維復(fù)合材料，一定會(huì)取得很好的減重效果。當(dāng)然，如果用碳纖維復(fù)合材料制造運(yùn)載火箭，也可以提高火箭的有效發(fā)射能力。

運(yùn)載火箭輕了，航天器就可以增加有效載荷。那么，航天器能否減重呢？回答是肯定的，不過減重不是減少有效載荷。碳纖維復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，除了運(yùn)載火箭之外，主要應(yīng)用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)件以及光學(xué)鏡體等幾個(gè)方面。先來說說碳纖維復(fù)合材料在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。作為目前人類向太空發(fā)射的最主要的航天器，衛(wèi)星為人類認(rèn)識(shí)太空和服務(wù)社會(huì)做出了重要貢獻(xiàn)。碳纖維復(fù)合材料可以用于制造衛(wèi)星的外殼，也可以用于制作衛(wèi)星承力筒，這是衛(wèi)星的主承力結(jié)構(gòu)。

在衛(wèi)星上一般用艙板來實(shí)現(xiàn)艙段之間的連接，并為衛(wèi)星上的設(shè)備提供支撐和保護(hù)作用。這里的艙板就可以用碳纖維復(fù)合材料來制造。衛(wèi)星控制平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)以及各種儀器安裝結(jié)構(gòu)板等也可以用碳纖維復(fù)合材料來制造。

在航天器結(jié)構(gòu)中，龐大的太陽翼是一個(gè)必備的裝備。如果用碳纖維復(fù)合材料制造太陽翼的框架，一定會(huì)有顯著的減重效果。在空間站，像桁架結(jié)構(gòu)、壓力容器也可以用碳纖維復(fù)合材料來制造。在制造遙感相機(jī)鏡筒、相機(jī)支架、星載天線上，碳纖維復(fù)合材料也有用武之地。

助力“雙碳戰(zhàn)略”，為新能源提供堅(jiān)強(qiáng)支撐

實(shí)施“雙碳戰(zhàn)略”，發(fā)展新能源是關(guān)鍵，而新能源的高速發(fā)展，離不開新興材料的支撐。碳纖維復(fù)合材料在新能源產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，彰顯了先進(jìn)碳基復(fù)合材料的強(qiáng)大威力。

就拿風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片來說，那可是碳纖維復(fù)合材料為社會(huì)效力的主戰(zhàn)場。風(fēng)能作為一種清潔能源，日益受到人們的青睞。風(fēng)力發(fā)電的核心裝備為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，即通常所說的風(fēng)機(jī)。

也許，你印象中的風(fēng)機(jī)就是轉(zhuǎn)動(dòng)中的三個(gè)葉片。其實(shí)，風(fēng)機(jī)有極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。那長長的葉片只是其捕獲風(fēng)能的“哨兵”，其使命是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)化就可以輸出電力了。

風(fēng)機(jī)強(qiáng)不強(qiáng)，葉片是關(guān)鍵。為了提升低風(fēng)速地區(qū)的發(fā)電量，一般風(fēng)機(jī)需要在100 多米的高度工作。那里的工作環(huán)境極其惡劣，因此對(duì)葉片的制作材料有著苛刻的要求。比如，所用材料既要滿足風(fēng)機(jī)葉片的強(qiáng)度和剛度要求，又要滿足風(fēng)機(jī)葉片的韌性和壽命要求。近年來，碳纖維復(fù)合材料正在逐步取代玻璃纖維復(fù)合材料，成為制造風(fēng)機(jī)葉片的理想材料。

葉片的長度在一定程度上決定了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電水平以及整機(jī)成本，未來，風(fēng)力發(fā)電的趨勢是風(fēng)機(jī)葉片的大型化。這一點(diǎn)也很好理解，因?yàn)槿~片越長掃風(fēng)面積越大，風(fēng)機(jī)發(fā)電功率自然也更大。我國的風(fēng)機(jī)葉片長度已突破百米大關(guān)，未來有望向160 米進(jìn)發(fā)。

這里還有一個(gè)問題需要考慮，那就是風(fēng)機(jī)葉片大型化之后的減重問題。因?yàn)闇p重可以提高風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。據(jù)悉，用碳纖維復(fù)合材料取代玻璃纖維復(fù)合材料，一般可使葉片重量減少三分之一左右。想必經(jīng)濟(jì)性也會(huì)隨之提高不少呢！

氫能產(chǎn)業(yè)作為一種戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在構(gòu)建低碳社會(huì)中占有重要的地位。發(fā)展燃料電池汽車是氫能利用的一個(gè)重要方面，然而這繞不開氫的儲(chǔ)運(yùn)關(guān)。氫在常溫常壓條件下為氣態(tài)，密度只有水的萬分之一，高密度儲(chǔ)氫具有一定的難度。目前國內(nèi)主流的儲(chǔ)氫方式為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，這也是最為成熟的儲(chǔ)氫方式了。然而，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫對(duì)高壓儲(chǔ)氫罐的技術(shù)要求很高。對(duì)于車載領(lǐng)域的儲(chǔ)氫瓶而言，大多采用 III 型（35MPa）或 IV 型（70MPa）儲(chǔ)氫瓶。III 型和 IV 型儲(chǔ)氫瓶皆采用碳纖維全纏繞方式加工而成，具有瓶身質(zhì)量輕、儲(chǔ)氫密度高、安全性好等優(yōu)勢。

據(jù)悉，國內(nèi) III 型儲(chǔ)氫瓶的儲(chǔ)氫密度為3.9%，IV 型儲(chǔ)氫瓶的儲(chǔ)氫密度可達(dá) 5.5%。

這是因?yàn)?IV 型儲(chǔ)氫瓶比 III 型儲(chǔ)氫瓶壓力高的緣故，在相同體積條件下，壓力越大儲(chǔ)氫量越多?？磥恚琁V 型儲(chǔ)氫瓶是氫燃料電池汽車的首選，意味著密度更高、成本更低、續(xù)航里程更長。

汽車輕量化，期待“減重神器”的大普及

一向被譽(yù)為“減重神器”的碳纖維，以其輕量化、高強(qiáng)度、高剛度以及耐腐蝕等特質(zhì)，將為汽車帶來高效率、低排放、高速度、長壽命的新生，從而把汽車文明推向一個(gè)嶄新的境界。

說起汽車材料的進(jìn)步，不能不說汽車的歷史。1769 年，世界上第一輛具有實(shí)用價(jià)值的用蒸汽驅(qū)動(dòng)的汽車誕生了。這輛“蒸汽車”的發(fā)明者是法國的炮兵大尉古諾?！罢羝嚒避嚿聿捎玫牟牧蠟槟静?。用木材制成的框架支撐著一個(gè)直徑 1.34米的鍋爐以及雙活塞蒸汽機(jī)等多個(gè)裝置，看上去十分笨重。

該“蒸汽車”有三個(gè)輪子—前面一個(gè)輪子，后面兩個(gè)輪子，起初最高時(shí)速為4 千米，每隔 15 分鐘就得停下來燒水制蒸汽。前面的輪子還兼作轉(zhuǎn)向輪，由于方向桿不太靈活，不時(shí)會(huì)發(fā)生交通事故。

不過，按照公認(rèn)的現(xiàn)代汽車的定義，用蒸汽驅(qū)動(dòng)的車輛是被排除在外的。100多年之后，德國的本茨把汽油驅(qū)動(dòng)的汽車推向了商業(yè)化，從而迎來了現(xiàn)代汽車的誕生。1885 年 9 月 5 日，本茨成功設(shè)計(jì)并制造出世界上第一輛具有現(xiàn)代汽車雛形的乘坐車。盡管本茨發(fā)明的汽車也是三輪汽車，但因其配備了一個(gè) 588 瓦的四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，而被譽(yù)為現(xiàn)代汽車誕生的標(biāo)志，本茨也因此被尊稱為“現(xiàn)代汽車之父”。

也許你不會(huì)相信，被譽(yù)為現(xiàn)代汽車誕生標(biāo)志的三輪汽車竟然是木制的。據(jù)稱，本茨發(fā)明的三輪汽車其車身、車架以及車輪等部件都是木制結(jié)構(gòu)的。由于沒有方向盤，想要拐彎的話，只能依靠一個(gè)操縱桿控制方向。

木制汽車的弊端很多，但材料的進(jìn)步始終與科技發(fā)展水平密切相關(guān)。在本茨的汽車生涯中，“維克托得亞”牌汽車算是趕上了好時(shí)候，金屬取代木材進(jìn)入了實(shí)施階段。

金屬材料的誕生為汽車工業(yè)帶來了轉(zhuǎn)機(jī)，車身和車架終于可以拋棄木制結(jié)構(gòu)，汽車制造進(jìn)入了金屬材料的新時(shí)代。金屬材料比木材更具優(yōu)勢，既易于加工又堅(jiān)固耐用。1908 年，福特汽車開始把鋼材應(yīng)用于 T 型車車身。1916 年，道奇推出首款全鋼車身汽車。

隨著人們能源和環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，汽車輕量化已是大勢所趨。在汽車制造的金屬時(shí)代，以鋁合金為代表的輕質(zhì)高強(qiáng)度材料自然成為人們關(guān)注的對(duì)象。鋁合金的密度僅為鋼材的三分之一，強(qiáng)度卻與高合金鋼相接近。

但由于鋁的熔點(diǎn)較鋼材要低得多，在加工時(shí)焊接難度很高。同時(shí)，鋁質(zhì)地較軟的特性也難以滿足汽車安全性的要求。于是，鋼鋁混合車身便應(yīng)運(yùn)而生了。采用鋼鋁混合的方案，一方面較好地滿足了車身輕量化的要求，同時(shí)又較好地滿足了汽車安全性的要求。

碳纖維復(fù)合材料的誕生，為汽車輕量化開辟了一方新視野。碳纖維復(fù)合材料的密度只有 1.5 克 / 立方厘米， 相較于鋁合金的密度（2.8 克 / 立方厘米）低了近一半，相較于結(jié)構(gòu)鋼的密度（7.9 克 / 立方厘米）和鈦合金的密度（4.5 克 / 立方厘米）則低得更多。即便是與應(yīng)用極其廣泛的玻璃纖維 / 聚酯的密度（2 克 / 立方厘米）相比，碳纖維復(fù)合材料的低密度仍然具有優(yōu)勢。

更重要的是，碳纖維復(fù)合材料還具有極高的強(qiáng)度和剛度，因此具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并且碳纖維復(fù)合材料還具有耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、易加工、耐沖擊等優(yōu)秀品質(zhì)。

當(dāng)然，碳纖維復(fù)合材料這個(gè)超級(jí)“減重神器”要想走進(jìn)汽車制造業(yè)，還需要期待碳纖維成本的不斷降低。碳纖維復(fù)合材料在汽車制造業(yè)的普及，將為汽車輕量化帶來新的希望。

從節(jié)能和排放的角度來看，汽車輕量化是節(jié)約燃料消耗和降低污染物排放的重要手段之一。因?yàn)檐圀w質(zhì)量直接影響油耗水平，油耗低了，排放自然就少了。據(jù)悉，對(duì)于普通轎車來說，車體每減重 100 千克，每百千米燃油可平均減少 0.5 升，二氧化碳排放隨之減少 500 克。

從行車安全的角度來看，汽車輕量化可以減小碰撞時(shí)的慣性，這樣一來，制動(dòng)距離就變短了，車輛對(duì)人的沖擊力也就變小了，安全性自然就提高了。從駕乘體驗(yàn)來看，由于用碳纖維復(fù)合材料制造的發(fā)動(dòng)機(jī)部件和傳動(dòng)軸具有很高的阻尼特性，因此有助于提高汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性，并且噪聲和振動(dòng)也得以改善。

輸電用上碳纖維，醉翁之意不在“電”

電力的傳輸離不開導(dǎo)線，而導(dǎo)線的最佳選材為金屬，如銅、鋁等金屬材料。然而，碳纖維在我國特高壓輸電工程上的應(yīng)用，成為電力傳輸領(lǐng)域的一大亮點(diǎn)。

碳纖維也能導(dǎo)電？回答是肯定的。雖然碳纖維的導(dǎo)電性在非金屬導(dǎo)體中是值得期待的，但相較于傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)體銀、銅、鋁還是遜色不少。那么，為什么電力傳輸看好碳纖維呢？

這還得從電力傳輸線的結(jié)構(gòu)說起。根據(jù)架設(shè)方式的不同，電力傳輸線可以分為電纜輸電線路和架空輸電線路兩種。就目前情況來看，我國的電力傳輸主要采用的是架空輸電線路，如特高壓輸電就是以架空輸電導(dǎo)線作為輸送電力載體的。

能源技術(shù)的革命促進(jìn)了輸電導(dǎo)線的進(jìn)步，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線就是這種進(jìn)步的產(chǎn)物之一。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線擁有內(nèi)部芯線和表面導(dǎo)線（鋁）的結(jié)構(gòu)。其中的芯線是用碳纖維作為中心層并包覆玻璃纖維材料制成的單根芯棒，圍繞在芯線周圍的具有梯形截面的鋁線則為一種性能優(yōu)良的新型導(dǎo)線。

不難看出，對(duì)于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線來說，承擔(dān)電能傳輸任務(wù)的是其外層部分的鋁導(dǎo)線，而不是碳纖維復(fù)合芯。那么，碳纖維復(fù)合芯的作用是什么呢？簡單來說，碳纖維復(fù)合芯的主要任務(wù)是承擔(dān)導(dǎo)線自身的重量以及風(fēng)力、導(dǎo)線應(yīng)力等機(jī)械方面的應(yīng)力。

長期以來，架空輸電導(dǎo)線的主要類型為鋼芯鋁絞線，即用 7 股鋼絲擰成的鋼絲繩作為導(dǎo)線的承重線，外面則由幾十股鋁絲合成的鋁導(dǎo)線作為電能傳輸?shù)妮d體。那么，用碳纖維復(fù)合芯取代傳統(tǒng)的鋼芯有何意義呢？

第一，由于碳纖維復(fù)合芯具有更高的強(qiáng)度，因此不再需要由鋁導(dǎo)線承擔(dān)部分受力作用。這樣一來，外層的鋁導(dǎo)線就可以全力以赴負(fù)責(zé)導(dǎo)電了。比如，采用退火狀態(tài)的軟鋁可以提高導(dǎo)電率，把截面設(shè)計(jì)成瓦型則可以大幅減小導(dǎo)線的外徑。相對(duì)于同直徑的常規(guī)導(dǎo)線來說，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線可以大幅度提高載流的容量。

第二，由于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線不存在傳統(tǒng)導(dǎo)線鋼絲材料引起的磁損和熱效應(yīng)，因此在輸送相同容量的條件下具有更低的運(yùn)行溫度，這樣可以減少輸電過程中的能量損耗。

第三，由于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的熱膨脹系數(shù)要低于傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，在高溫條件下工作時(shí)下弧垂不到鋼芯鋁絞線的一半，對(duì)于提高線路運(yùn)行的安全性和可靠性具有重要的意義。

第四，由于碳纖維質(zhì)輕、防腐、高強(qiáng)度、耐高溫，因此碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的可靠性更好，使用壽命更長。建設(shè)同等輸送容量線路的工程，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的建設(shè)費(fèi)用會(huì)更低一些。

中國電網(wǎng)步入“特高壓”時(shí)代，導(dǎo)線技術(shù)進(jìn)步責(zé)無旁貸。目前，我國應(yīng)用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線總長度超過 2 萬千米，已經(jīng)成為電力技術(shù)革命的一個(gè)重要方面。

2019 年，世界首條碳纖維復(fù)合導(dǎo)線特高壓工程—大唐錫林浩特電廠 1000千伏送出線路正式并網(wǎng)運(yùn)行。運(yùn)行線路全長 14.6 千米，全部采用國產(chǎn)碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線。與傳統(tǒng)的鋼芯導(dǎo)線相比，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線表現(xiàn)出諸多獨(dú)特優(yōu)勢。據(jù)悉，該運(yùn)行線路是錫盟—山東 1000 千伏特高壓交流輸變電工程的配套工程，對(duì)于緩解華北地區(qū)的用電緊張狀況具有重要意義。

碳纖維作為一種高科技含碳產(chǎn)品，生產(chǎn)工藝極其復(fù)雜，其“稀缺性”不言而喻。因此，盡管碳元素并不“稀缺”，但是碳纖維卻十分“稀缺”。碳纖維的“貴”不僅是因?yàn)樗摹跋∪毙浴?，更重要的是其作為“材料之王”的“有用性”。碳纖維具有的“既輕又強(qiáng)”和“剛?cè)岵?jì)”等特質(zhì)，使其被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、新能源、汽車、電力以及體育等諸多領(lǐng)域，并發(fā)揮著越來越重要的作用。（來源：百科知識(shí)）

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