1. 前言

碳纖維復(fù)合材料管材是目前應(yīng)用范圍最廣、數(shù)量最多的碳纖維基礎(chǔ)制品之一，也是碳纖維復(fù)合材料重要的應(yīng)用形式。同其它的應(yīng)用類似，碳纖維管材也是憑借碳纖維“輕而強(qiáng)”的性能優(yōu)勢(shì)成為諸多領(lǐng)域所青睞的輕量化材料。碳纖維管可分為碳纖維圓鋼管、碳纖維方管、碳纖維彎頭、碳纖維矩形方管等，根據(jù)不同用途，可采用不同的成型工藝成型制造。

圖1?適用于不同用途的CFRP管材

圖2?可加工不同斷面形狀的CFRP管材

除了直管以外，采用CFRP彎曲技術(shù)可加工不同管型的管材。

圖3?CFRP彎管

2. 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）管材在不同領(lǐng)域的應(yīng)用
碳纖維（CF）具有元素碳的各種優(yōu)良性能，如比重小、耐熱性極好、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)大、耐腐蝕性和導(dǎo)電性良好等。同時(shí)，它又具有纖維般的柔曲性，可進(jìn)行編織加工和纏繞成型。碳纖維最優(yōu)良的性能是比強(qiáng)度和比模量超過一般的增強(qiáng)纖維，它和樹脂形成的復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量比鋼和鋁合金還高3倍左右。碳纖維復(fù)合材料制造的管材在多個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，能夠顯著減輕重量，提高有效載荷，改善性能，是航天工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料。本文以碳纖維管狀零部件為例，介紹碳纖維復(fù)合材料管材在各領(lǐng)域的一些常見應(yīng)用。
2.1 碳纖維復(fù)合材料機(jī)械臂
工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、物流裝載機(jī)器人等的工作主要靠機(jī)械臂來完成，機(jī)器人的機(jī)械臂是機(jī)器人執(zhí)行操作任務(wù)的主要部件之一，其主要功能是在與環(huán)境進(jìn)行交互的過程中，能夠準(zhǔn)確接受指令，并精確地定位到三維(或二維)空間上的某一點(diǎn)進(jìn)行規(guī)范性作業(yè)。機(jī)械臂的性能高低決定了機(jī)器人的應(yīng)用價(jià)值。CFRP重量輕、強(qiáng)度大、耐腐蝕性能好，尤其是在溫差較大環(huán)境中，材料的蠕變小，應(yīng)用于機(jī)械臂中有助于提升機(jī)器人的操作精度和工作效率，延長(zhǎng)機(jī)械臂的使用壽命，可廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)巡檢機(jī)器人、隧道勘測(cè)機(jī)器人、外科手術(shù)機(jī)器人等多個(gè)領(lǐng)域。

圖4?工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂（CFRP材料）

圖5?CFRP機(jī)械臂零部件

現(xiàn)在，越來越多的新型機(jī)械臂開始采用碳纖維復(fù)合材料，主要因?yàn)槠渚邆湟韵聨讉€(gè)優(yōu)勢(shì)：

• 優(yōu)勢(shì)1：自重輕、能耗低、生產(chǎn)效率高

機(jī)械臂的自重要盡量輕,機(jī)械臂越輕，其運(yùn)動(dòng)慣量越小。通過輕量化設(shè)計(jì)可以使機(jī)械臂的功率自重比達(dá)到最優(yōu)化，選擇輕量化的制作材料也是機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)輕量化的重要途徑。碳纖維復(fù)合材料的密度僅是鋼材的三分之一，比鋁合金也要輕30%左右，意味著機(jī)械臂運(yùn)轉(zhuǎn)過程中需要消耗的能量更少，運(yùn)行更為輕便快捷。哪怕是能耗比只降低一點(diǎn)點(diǎn)，或者生產(chǎn)效率提升一點(diǎn)點(diǎn)，這在長(zhǎng)周期和批量化工作中帶來的效果都是巨大的。

圖6?產(chǎn)業(yè)機(jī)械CFRP機(jī)械臂

• 優(yōu)勢(shì)2：強(qiáng)度大、承載多、功能多樣化

機(jī)械臂在實(shí)現(xiàn)輕自重的同時(shí)，更要保證自身具備足夠的負(fù)載能力。機(jī)械手臂要承受的基本重量包括手臂本身的重量加上其抓取工件的最大重量，碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量都比鋼高，其抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7-9倍，這種高承載性能賦予了機(jī)器人向多元化功能方向發(fā)展的可能性。

圖7?CFRP機(jī)械臂

• 優(yōu)勢(shì)3：蠕變小、精度高、適應(yīng)能力強(qiáng)

碳纖維復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)微乎其微，蠕變小，能夠適應(yīng)溫差較大的工作環(huán)境。不僅通過降低自重，減少能耗，成倍地延長(zhǎng)了工作周期，而且其在嚴(yán)寒、高溫等惡劣氣候環(huán)境下工作性能穩(wěn)定，能夠精確、快速地完成指令，這也是許多特定工作環(huán)境下機(jī)器人設(shè)計(jì)優(yōu)選碳纖維復(fù)合材料的重要原因。

圖8?CFRP機(jī)械臂用管材

• 優(yōu)勢(shì)4：耐疲勞、壽命長(zhǎng)、使用成本低

碳纖維復(fù)合材料具有良好的耐疲勞性，采用這種先進(jìn)復(fù)合材料制作的零部件使用壽命長(zhǎng)，用于維護(hù)或者更新的頻率低。要充分發(fā)揮出碳纖維復(fù)合材料的耐疲勞性能，應(yīng)從最基本的設(shè)計(jì)制作出發(fā)，因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料機(jī)械臂的實(shí)際耐疲勞性往往受制于復(fù)合材料鋪層方向與載荷方向的角度設(shè)計(jì)。因此，在采用碳纖維復(fù)合材料制作機(jī)械臂時(shí)，需要針對(duì)機(jī)械臂所承受的載荷與實(shí)際工況設(shè)計(jì)專門的制作方案。
2.2 碳纖維復(fù)合材料機(jī)械輥軸
采用碳纖維管作為輥身的碳纖維輥軸，可廣泛應(yīng)用于印刷、造紙、塑料、薄膜、紡織、鉀電池極片卷繞機(jī)等行業(yè)。高精度碳纖維管制成的輥軸相比于鋁合金材料的軸類產(chǎn)品，性能優(yōu)勢(shì)非常突出。碳纖維輥軸因?yàn)楦p的材質(zhì)能減小慣性，使機(jī)器啟動(dòng)和停止的速度加快，輥軸的轉(zhuǎn)速的提高，對(duì)于提升生產(chǎn)效率及產(chǎn)品品質(zhì)有著很好的作用。
采用碳纖維復(fù)合材料輥替代傳統(tǒng)的金屬輥，能夠大幅度提升機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，有效降低長(zhǎng)期能耗。這類碳纖維輥制作工藝成熟，性能穩(wěn)定，應(yīng)用成本相對(duì)較低。

圖9?CFRP機(jī)械輥軸

傳統(tǒng)上，輥軸由金屬（鋼或鋁）或塑料制成。它們的設(shè)計(jì)將取決于確定尺寸或直徑以及構(gòu)造材料的應(yīng)用程序。碳纖維由于其固有的輕質(zhì)性和材料強(qiáng)度，現(xiàn)在成為一種有吸引力的選擇。碳纖維輥軸可由碳纖維管制成，其剛度可與鋁或鋼相媲美，具體取決于應(yīng)用。碳纖維輥軸的重量?jī)H為鋁的一半，重量為鋼的1/5，可以解決與金屬輥軸相關(guān)的許多問題，包括慣性和彎曲問題。

圖10?不同尺寸的CFRP機(jī)械輥軸

2.3 碳纖維復(fù)合材料無(wú)人機(jī)機(jī)臂
碳纖維復(fù)合材料管在強(qiáng)度方面表現(xiàn)出色，根據(jù)實(shí)際需要能適用于無(wú)人機(jī)不同的機(jī)體部位，機(jī)臂、機(jī)翼骨架，相對(duì)于鋁合金30%的減重效果能提高飛機(jī)的續(xù)航能力，并提高載荷力。碳纖維材料本身的抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、吸能抗震、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)也使得人機(jī)的使用壽命得到有效保證。大部分農(nóng)用植保無(wú)機(jī)及消費(fèi)級(jí)航拍無(wú)人機(jī)均采用碳纖維管作為主體結(jié)構(gòu)，碳纖維管在該領(lǐng)域的應(yīng)用地位堂穩(wěn)固。
無(wú)人機(jī)的自重直接影響到飛行時(shí)長(zhǎng)和實(shí)際載荷，碳纖維復(fù)合材料無(wú)人機(jī)部件如機(jī)殼、機(jī)臂等部件應(yīng)用比例越大，輕量化效果越明顯。減少的重量空間可以用來搭載更多的燃料電池和輔助功能設(shè)備，為無(wú)人機(jī)贏得更多的競(jìng)爭(zhēng)空間。在碳纖維零部件制作中可以實(shí)現(xiàn)機(jī)殼與機(jī)臂的一體化，減少裝配部件的同時(shí)增加了機(jī)體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖11 無(wú)人機(jī)機(jī)體、機(jī)臂

隨著科技的進(jìn)步以及人們生活水平的提高，無(wú)人機(jī)逐漸得到普及，在表演、航拍、偵測(cè)、警用、勘探、物流、救災(zāi)中我們經(jīng)?？梢钥吹剿纳碛啊Ｔ谝恍毫拥沫h(huán)境中，對(duì)于無(wú)人機(jī)的性能要求是很高的，例如，無(wú)人機(jī)的機(jī)翼需要耐候性好、增韌強(qiáng)度高、易加工成型的材料，機(jī)身往往會(huì)采用高韌性、高強(qiáng)度、低溫耐候性好、高流動(dòng)性的材料，起落架的材料需要有高強(qiáng)度、高剛性等。
與傳統(tǒng)的金屬材料相比，復(fù)合材料因其輕量化、強(qiáng)度高、抗沖擊、抗腐蝕等特性逐步成為無(wú)人機(jī)的首選，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料更是無(wú)人機(jī)材料的“新寵”。無(wú)人機(jī)的輕質(zhì)化機(jī)體材料能夠?yàn)殡姵氐葎?dòng)力能源提供更多的設(shè)計(jì)空間，在動(dòng)力相同的情況下，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航能力。

圖12?用于農(nóng)田噴灑農(nóng)藥和光伏板清洗的無(wú)人機(jī)

圖13 用于災(zāi)害救援的無(wú)人機(jī)

其次是一體化成型，碳纖維復(fù)合材料可以采用模壓、熱壓罐固化等成型方式制作無(wú)人機(jī)機(jī)殼等零部件，通過有效的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)體的大面積一次性成型，減少能夠減少連接件和緊固件的使用，避免二次連接，在減輕機(jī)體重量的同時(shí)，保證了無(wú)人機(jī)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高性能優(yōu)勢(shì)，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)碳纖維無(wú)人機(jī)機(jī)殼等部件的批量化生產(chǎn)。
最后是碳纖維復(fù)合材料的蠕變小、耐腐蝕性強(qiáng)特點(diǎn)，碳纖維復(fù)合材料的耐疲勞性能好，即便經(jīng)歷多次循環(huán)載荷也很少會(huì)出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象，能夠耐受較大溫差變化而不易變形，遇到非強(qiáng)酸強(qiáng)堿類腐蝕，幾乎不會(huì)發(fā)生明顯變化，使用安全性高，壽命長(zhǎng)。
2.4 碳纖維復(fù)合材料支架體
攝像機(jī)、測(cè)繪儀器等一些需要隨時(shí)隨地方便支撐的設(shè)備需要的是穩(wěn)固、輕便的支架體，碳纖維復(fù)合材料管是制造這種支架體的理想材料。
奧迪R8發(fā)動(dòng)機(jī)支架采用的碳纖維復(fù)合材料，用于支撐R8的V10發(fā)動(dòng)機(jī)，它為增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力而提供了扭轉(zhuǎn)剛度。奧迪的目標(biāo)時(shí)生產(chǎn)現(xiàn)有鋁部件的一種更輕質(zhì)的復(fù)合材料版本，使其擁有更美觀的造型。

圖14 現(xiàn)有的鋁制奧迪R發(fā)動(dòng)機(jī)支架

圖15 改良后使用的CFRP支架

這種復(fù)合材料的支架比相應(yīng)的鋁部件減輕了15%的重量，而纖維隨機(jī)分布的預(yù)浸料切片則創(chuàng)造了一個(gè)更有吸引力的表面。
2.5 碳纖維復(fù)合材料管應(yīng)用于熱敏感領(lǐng)域
在一些熱敏感領(lǐng)域，溫度的變化將會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生一定的影響，如需要在溫差較大環(huán)境下工作的量具。而在更高端的航天儀器方面這種情況更多，如航天遙感器所處的環(huán)境條件比較復(fù)雜，較大的溫度差異會(huì)使光闌間隔及鏡筒筒身精度發(fā)生變化，這將大大影響到光學(xué)遙感器的成像質(zhì)量。
由于碳纖維復(fù)合材料具有較好的尺寸穩(wěn)定性，線膨脹系數(shù)幾近“0”。在一些熱敏感領(lǐng)域，溫度的變化將會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生一定的影響，如需要在溫差較大環(huán)境下工作的量具。而在更高端的航天儀器方面這種情況更多，如航天遙感器所處的環(huán)境條件比較復(fù)雜，較大的溫度差異會(huì)使光闌間隔及鏡筒筒身精度發(fā)生變化，這將大大影響到光學(xué)遙感器的成像質(zhì)量。
因此在熱敏感領(lǐng)域中，越來越多地使用到碳纖維管，碳纖管的使用首先可以從根本上降低儀器自身的重量，降低使用的成本，碳纖維材料的性能優(yōu)勢(shì)也有助于提升科研設(shè)備的先進(jìn)性。

圖16 熱敏儀器及設(shè)備

2.6 碳纖維復(fù)合材料汽車檢具
用鋼材制成的汽車檢具，重量重，可操作性不佳，易用性及人機(jī)工程都無(wú)法滿足日常生產(chǎn)；鋁材的重量有所減輕，但強(qiáng)度也降低了，在頻繁使用過程中，檢具使用壽命也得不到保障，而使用碳纖維復(fù)合材料制成的檢具則能滿足實(shí)際使用要求，大大提高工作效率。管狀碳纖維部件是制造這類檢具的重要組成部分，傳統(tǒng)金屬檢具的精度會(huì)在一定使用周期內(nèi)有所下降，但是碳纖維檢具的精度表現(xiàn)穩(wěn)定，其變形量遠(yuǎn)低于同類型的鋁制檢具。新材料采用膠結(jié)技術(shù)替代傳統(tǒng)金屬的焊接技術(shù)，很大程度上避免了由焊接帶來的變形和應(yīng)力缺陷，可以進(jìn)一步提升檢具精度的穩(wěn)定性。

圖17?CFRP車輛檢具

2.7 碳纖維復(fù)合材料套筒電機(jī)
特斯拉Model S Plaid的三臺(tái)高轉(zhuǎn)電機(jī)采用了首創(chuàng)的碳纖維套筒轉(zhuǎn)子，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)2萬(wàn)轉(zhuǎn)。電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，車輛的行駛速度就可以越快。但是轉(zhuǎn)子的速度太快，可能會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的損毀。所以以往的電動(dòng)車會(huì)給人高速之后后勁不夠的感覺。
針對(duì)這一難點(diǎn)，特斯拉在轉(zhuǎn)子外層加入了一個(gè)碳纖維套，構(gòu)成了碳纖維套筒電機(jī)。碳纖維的作用有兩個(gè)，一是能有效減少轉(zhuǎn)子溫度，轉(zhuǎn)子溫度很大一部分來自定子，碳纖維能有效減少熱傳導(dǎo)，可以減少磁鋼退磁風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)減少高轉(zhuǎn)速下的離心變形；第二個(gè)，增加轉(zhuǎn)子磁通量，在同等輸入電流下，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加、做功變大、效率提高。

圖18 世界首創(chuàng)特斯拉碳纖維套筒轉(zhuǎn)子

2.8 軍工領(lǐng)域
碳纖維具有質(zhì)輕，高強(qiáng)度，高模量，耐腐蝕，耐疲勞，耐高溫，導(dǎo)熱，散熱性好和熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，碳纖維及其復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于火箭，導(dǎo)彈，軍用飛機(jī)，個(gè)體防護(hù)等軍工領(lǐng)域，且用量與日俱增，使軍事裝備性能得到不斷提高。碳纖維及其復(fù)合材料已成為發(fā)展現(xiàn)代國(guó)防軍工武器裝備的重要戰(zhàn)略物資。在軍用火箭和導(dǎo)彈方面，碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異性能也得到了較好的應(yīng)用與發(fā)展，如“飛馬座”、“德爾塔”運(yùn)載火箭、“三叉戟”Ⅱ（D5）、“侏儒”導(dǎo)彈等均采用碳纖維復(fù)合材料；而美國(guó)的戰(zhàn)略導(dǎo)彈 MX 洲際導(dǎo)彈，俄羅斯戰(zhàn)略導(dǎo)彈“白楊” M 導(dǎo)彈也采用先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)射筒。
一家奧地利公司推出了一款名為VOERE S16的栓動(dòng)步槍，空槍重量?jī)H僅只有2KG（如圖18）。其具備碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料槍管，這是該槍的推出是的主打賣點(diǎn)，也是此槍僅重2KG的重要原因。

圖19 CFRP槍管

瑞典薩博公司推出了M4新型反坦克火箭（如圖19），M4重6.7KG，較卡爾·古斯塔夫M3輕約3KG，外殼采用碳纖維復(fù)合材料(減重0.8KG)，通過重新設(shè)計(jì)文丘里管使火箭炮減重0.9千克，M4的總長(zhǎng)度減到了1米以內(nèi)。

圖20 新型反坦克火箭外殼采用碳纖維纏繞工藝

2.9 體育休閑等運(yùn)動(dòng)器材
在體育休閑用品領(lǐng)域，碳纖維高爾夫球桿和釣魚竿最早獲得應(yīng)用，其也是推動(dòng)碳纖維發(fā)展的最早消費(fèi)渠道之一。早在十幾年前，僅用于高爾夫球桿上的碳纖維消耗就占全世界總碳纖維消耗量的十分之一。近年來，自行車、網(wǎng)球拍、羽毛球拍等體育用品也越來越多地使用到碳纖維材料。

圖21 碳纖維高爾夫球桿

采用碳纖管制成的超輕型高爾夫球桿重量?jī)H有50g左右，而鋼制桿身有120g以上，在減輕重量的同時(shí)，碳纖維材質(zhì)使得球桿具備更好的彈性和韌性，球桿在運(yùn)動(dòng)中給使用者帶來的震感更小，平衡感和手感舒適程度更高。又如攝影攝像設(shè)備中使用碳纖維管制作的滑軌，外形美觀,使用方便，尤其是其重量輕、承重大的特點(diǎn)，非常適合外拍攜帶,為戶外攝影工作者所喜愛。
這類用品中的碳纖管能有效提升使用者的體驗(yàn)度，更輕的質(zhì)量能減輕使用者的體力消耗，增加運(yùn)動(dòng)休閑的愉悅性，更強(qiáng)的材質(zhì)還能減少器材彎曲變形的可能性，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。由于碳纖維在體育休閑領(lǐng)域中的應(yīng)用技術(shù)相對(duì)成熟，因此碳纖維在該領(lǐng)域的需求量呈穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
3.?結(jié)束語(yǔ)
盡管目前的碳纖管價(jià)格行情在一定程度上制約了其在更多方位上的運(yùn)用，可是，隨著加工工藝化水平的不斷提高和批量化生產(chǎn)模式的不斷推廣，這一瓶頸將被逐漸打破。從市場(chǎng)發(fā)展需求來看，碳纖維復(fù)合材料管的發(fā)展趨勢(shì)將向功能特殊化、射擊組合化的方向發(fā)展。

總而言之，產(chǎn)品的基礎(chǔ)性決定了市場(chǎng)需求量，碳纖維管的發(fā)展方向不可小覷，在取代金屬材料管材的輕量過程中終將飾演越來越重要的較色。

來源：材料委天津院

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