第四節(jié)　碳纖維復(fù)合材料及其應(yīng)用

一、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的種類(lèi)

碳纖維具有一系列優(yōu)異的特性，使用過(guò)程中往往將它與基體材料復(fù)合使用，充分發(fā)揮其優(yōu)異的性能。根據(jù)使用目的不同可選用不同的基體材料和復(fù)合方式來(lái)達(dá)到所要求的復(fù)合效果。碳纖維可用來(lái)增強(qiáng)樹(shù)脂、碳、金屬及無(wú)機(jī)陶瓷，目前使用最廣泛的是樹(shù)脂基復(fù)合材料。[59]

1.碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷材料具有優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性、耐高溫性和化學(xué)穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用產(chǎn)品，但它為脆性材料且對(duì)裂紋、氣孔和夾雜物等細(xì)微的缺陷很敏感。碳纖維具有良好的耐高溫和力學(xué)性能，與陶瓷材料復(fù)合后可增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)保持了陶瓷的優(yōu)異性能。陶瓷材料有多種，但是碳纖維增強(qiáng)碳化硅材料是目前國(guó)內(nèi)外比較成熟，在高溫條件下力學(xué)性能優(yōu)異，不需要額外的隔熱措施，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天飛行器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[60]。

2.碳/碳復(fù)合材料

碳/碳復(fù)合材料是由碳纖維、織物或編織物等增強(qiáng)碳基復(fù)合材料構(gòu)成，具有密度低、熱膨脹系數(shù)小、高溫環(huán)境下力學(xué)性能優(yōu)異、抗熱震和耐高溫?zé)g等優(yōu)異特點(diǎn)，特別是在高溫環(huán)境中，不熔不燃，并能保持高強(qiáng)度，在導(dǎo)彈彈頭、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管以及飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)等高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3.碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)纖維，金屬為基體的復(fù)合材料。與金屬材料相比，此類(lèi)復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度和比模量；與陶瓷相比，具有高的韌性和耐沖擊性能。金屬基體多采用鋁、鎂、鎳、鈦及它們的合金等，其中碳纖維增強(qiáng)鋁、鎂復(fù)合材料的制備技術(shù)比較成熟。制造碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要技術(shù)難點(diǎn)是碳纖維的表面涂層，以防止在復(fù)合過(guò)程中損傷碳纖維，從而使復(fù)合材料的整體性能下降。目前，在制備碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)，碳纖維的表面改性主要采用氣相沉積、液鈉法等，但因其過(guò)程復(fù)雜、成本高，限制了碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用[59]。

4.碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，廣泛用作結(jié)構(gòu)材料及耐高溫抗燒蝕材料。根據(jù)基體樹(shù)脂的不同可以分為熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂。熱固性樹(shù)脂在固化劑或熱作用下進(jìn)行交聯(lián)、縮聚，形成不熔不溶的交聯(lián)體型結(jié)構(gòu)，常采用的熱固性樹(shù)脂有環(huán)氧樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂以及酚醛樹(shù)脂等。熱塑性樹(shù)脂在一定條件下溶解熔融，只發(fā)生物理變化，常用的有聚乙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等。

碳纖維和增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合后，碳纖維為增強(qiáng)基體，承載外界傳遞的載荷，而樹(shù)脂基體則使復(fù)合材料整體成型。碳纖維在復(fù)合材料中以?xún)煞N形態(tài)展現(xiàn)：連續(xù)纖維和短纖維，相比較之下，連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料通常具有更好的力學(xué)性能，通常采用拉擠成型制備；短纖維復(fù)合材料可采用模壓成型、注射成型以及擠出成型等方式制備。

二、碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域

1.航空航天領(lǐng)域[61，62]

碳纖維復(fù)合材料性能優(yōu)異，在2000℃的高溫惰性環(huán)境中性能不下降，并且可編可織，具有很高的設(shè)計(jì)自由度，在航空領(lǐng)域特別是飛機(jī)制造業(yè)中應(yīng)用廣泛。統(tǒng)計(jì)顯示，目前，碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升機(jī)上的使用量占70%～80%，在軍用飛機(jī)上占30%～40%，在大型客機(jī)上占15%～50%。

碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要有以下幾種形式：碳纖維與樹(shù)脂復(fù)合；碳纖維與金屬?gòu)?fù)合；碳纖維與陶瓷復(fù)合等。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）已經(jīng)成為生產(chǎn)武器裝備的重要材料，AV—8B改型“鷂”式飛機(jī)是美國(guó)軍用飛機(jī)中使用復(fù)合材料最多的機(jī)種，其機(jī)翼、前機(jī)身都用了石墨/環(huán)氧大型部件，全機(jī)所用碳纖維的質(zhì)量約占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的26%，使整機(jī)減重9%，有效載荷比AV—8A飛機(jī)增加了一倍。碳碳復(fù)合材料則廣泛應(yīng)用于航天飛機(jī)的鼻錐和機(jī)翼的前緣材料，另外大型超高音速飛機(jī)的剎車(chē)片也在應(yīng)用，包括民用和軍用的干線飛機(jī)。

在法國(guó)電信一號(hào)通信衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)中，帶有4條環(huán)形加強(qiáng)筋的中心承力筒是由CFRP制成的，衛(wèi)星的蒙皮是由T300 CFRP制成的[63，64]；日本JERS—1地球資源衛(wèi)星殼體內(nèi)部的推力筒、儀器支架、8根支撐桿和分隔環(huán)都使用了碳纖維復(fù)合材料。

我國(guó)從1996年11月20日的“神舟一號(hào)”升空開(kāi)始到“神舟十號(hào)”上天，在飛船、衛(wèi)星、返回艙中大量使用了碳纖維復(fù)合材料，為我國(guó)的航天事業(yè)立下了汗馬功勞。

隨著科學(xué)的進(jìn)步，碳纖維復(fù)合材料將會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于在航空航天領(lǐng)域中，為世界航空航天技術(shù)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

2.軍工領(lǐng)域[65]

碳纖維以其優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于軍工和民用領(lǐng)域，是軍民兩用新材料，屬于技術(shù)密集型和政治敏感的關(guān)鍵材料，已成為國(guó)家大力發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)已被廣泛應(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。

（1）洲際導(dǎo)彈。在高溫惰性環(huán)境下，碳纖維是唯一一種在2000℃以上環(huán)境中強(qiáng)度不下降的材料，而軍用碳纖維可耐3000℃以上高溫。

洲際彈道導(dǎo)彈是戰(zhàn)略性武器中的撒手锏，在碳纖維復(fù)合材料廣泛用來(lái)制造洲際彈道導(dǎo)彈的鼻錐、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和殼體。不僅提高了洲際導(dǎo)彈的熱力學(xué)性能，而且減輕了導(dǎo)彈的質(zhì)量，有效提高了射程。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是發(fā)射各種導(dǎo)彈的主要?jiǎng)恿Γ祭w維復(fù)合材料在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用十分廣泛。美國(guó)的多款機(jī)動(dòng)洲際彈道導(dǎo)彈鼻錐和發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯都使用了3D C/C復(fù)合材料，其中衛(wèi)兵型、SPI型反彈道導(dǎo)彈、民兵Ⅲ鼻錐均采用了碳纖維復(fù)合材料。MX彈道導(dǎo)彈第三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管及三叉戟Ⅱ型導(dǎo)彈的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用了CFRP。2010年，法國(guó)成功試射M51導(dǎo)彈，導(dǎo)彈的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)外殼全部為碳纖維復(fù)合材料，采用編織工藝制備而成。

2003年9月，我國(guó)首個(gè)采用碳纖維復(fù)合材料固體小運(yùn)載發(fā)動(dòng)機(jī)的“開(kāi)拓者一號(hào)”飛行成功，其發(fā)動(dòng)機(jī)的第四級(jí)（直徑640mm）采用了碳纖維復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了由GFRP殼體向CFRP殼體的歷史性跨越。隨后，碳纖維復(fù)合材料在軍工領(lǐng)域遍地開(kāi)花，成功應(yīng)用于陸基機(jī)動(dòng)洲際彈道導(dǎo)彈“東風(fēng)—31”和“東風(fēng)—31A”的彈頭上，潛射洲際彈道導(dǎo)彈“巨浪-Ⅱ”型發(fā)動(dòng)機(jī)噴管也采用了C/C復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料在軍工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，必將使得戰(zhàn)略導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭的整體性能大大提高。

（2）碳纖維炸彈（石墨炸彈）。碳纖維炸彈（圖2-32）俗稱(chēng)石墨炸彈或軟炸彈，主要攻擊對(duì)象是城市的電力輸配系統(tǒng)，至其癱瘓，又被稱(chēng)為斷電炸彈。其原料為特殊處理后的碳絲制成，爆炸后碳絲可在高空中長(zhǎng)時(shí)間漂浮，落到發(fā)電廠和配電站高壓電網(wǎng)上，碳絲可進(jìn)入電子設(shè)備內(nèi)部、冷卻管道和控制系統(tǒng)的黑匣子，造成電力短路，從而破壞其電廠生產(chǎn)、各種輸變電功能[66]，達(dá)到破壞以電為能源的軍事指揮及各種武器裝備的目的。在美伊戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍向巴格達(dá)電廠、電站發(fā)射了多枚碳纖維炸彈，包括軍事機(jī)關(guān)和通信部門(mén)，造成巴格達(dá)全市停電，直接影響了其作戰(zhàn)能力[67]。

（3）軍用舟橋。傳統(tǒng)軍用橋梁一般都為鋼鐵或鋁合金材質(zhì)，這類(lèi)材料制成的橋梁都比較笨重，與現(xiàn)代部隊(duì)快速機(jī)動(dòng)的要求已不相適應(yīng)。應(yīng)用碳纖維、玻璃纖維和芳綸等新型復(fù)合材料，不但提高了橋梁的強(qiáng)度和韌性，而且大大減輕了橋梁的質(zhì)量，滿(mǎn)足了飛機(jī)運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

（4）軍用防護(hù)用品。目前，碳纖維軍工防護(hù)用品主要有碳纖維復(fù)合材料防彈頭盔、防彈插板、防彈盔甲等，具有質(zhì)量輕，導(dǎo)熱、散熱性好等特點(diǎn)，能有效阻擋子彈的侵蝕，實(shí)現(xiàn)對(duì)身體的有效防護(hù)。美國(guó)的新一代士兵頭盔（又稱(chēng)強(qiáng)化格斗頭盔ECH）引進(jìn)了碳纖維材料，這種頭盔內(nèi)軟外硬，輕便，質(zhì)量減輕了20%。除此之外，碳纖維還用于制造防彈板等用途。

3.新能源領(lǐng)域[68]

風(fēng)能是一種可以長(zhǎng)期使用的可再生資源，隨著綠色發(fā)展進(jìn)程的加快，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的應(yīng)用日益廣闊。葉片是風(fēng)力發(fā)電裝備的關(guān)鍵部件，目前多采用玻璃纖維增強(qiáng)材料制備，但是當(dāng)葉片尺寸大到一定程度，用常規(guī)的玻璃纖維增強(qiáng)材料制備葉片已難以滿(mǎn)足葉片尺寸加大對(duì)剛性與質(zhì)量的綜合要求，大尺寸（超過(guò)40m）風(fēng)力葉片采用碳纖維材料已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的抗疲勞特性和良好的導(dǎo)電特性，可有效減弱惡劣環(huán)境對(duì)葉片材料的損害。當(dāng)前，全球風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量處于迅速增長(zhǎng)時(shí)期，碳纖維復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的應(yīng)用已成為一種趨勢(shì)。

4.高速車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)

一般傳統(tǒng)材料的極限制動(dòng)速度是300km/h，而碳纖維復(fù)合材料制動(dòng)裝置具有強(qiáng)度高、彈性模量適中、耐熱性好、質(zhì)量輕、膨脹系數(shù)小、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在速度更高的列車(chē)上[69]。德國(guó)鐵路部門(mén)聯(lián)合Knoor Bremse公司研制了高速列車(chē)用碳纖維復(fù)合材料盤(pán)型制動(dòng)器；日本、法國(guó)開(kāi)發(fā)研制的碳纖維復(fù)合材料剎車(chē)片已成功地應(yīng)用于新干線和TGV高速列車(chē)制動(dòng)[70]。隨著我國(guó)路況的日益好轉(zhuǎn)，特別是高鐵時(shí)代的到來(lái)，大力發(fā)展碳纖維復(fù)合材料剎車(chē)片具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值[71]。

5.體育用品

與傳統(tǒng)材料體育用品相比，碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、力學(xué)性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在體育用品方面得到了廣泛的應(yīng)用，其用量占全世界碳纖維總消耗量的40%左右。

高爾夫球桿采用碳纖維復(fù)合材料可減輕質(zhì)量10%～40%，使用過(guò)程中可使球獲得較大的初速度。另外，碳纖維復(fù)合材料具有高阻尼特性，可延長(zhǎng)擊球時(shí)間，球被擊得更遠(yuǎn)[72]。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的釣魚(yú)竿質(zhì)量更輕，收竿時(shí)消耗能量更少，而且收竿距增加20%左右，漁具的卷軸也可以采用碳纖維復(fù)合材料制備，其強(qiáng)度高，耐腐蝕，能延長(zhǎng)使用壽命。碳纖維復(fù)合材料制成的網(wǎng)球拍和羽毛球拍，質(zhì)輕高強(qiáng)，能降低球與球拍接觸時(shí)的偏離度，使球獲得較大的加速度。碳纖維復(fù)合材料滑雪板具有剛性大、耐摩擦等優(yōu)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)彎、斜坡和越野賽中腳底用力較小。碳纖維復(fù)合材料自行車(chē)強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，車(chē)架質(zhì)量低于1kg，而全車(chē)質(zhì)量甚至不足6kg，堪稱(chēng)自行車(chē)王國(guó)的“至尊王者”。此外，在動(dòng)力雪橇用的彈簧板、弓、箭、跳竿、冰球棒、游艇、賽艇、賽艇槳、帆船桅桿、摩托車(chē)零件、登山用品以及滑翔機(jī)、人力飛機(jī)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

6.電力領(lǐng)域

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)及城市化的發(fā)展，電力需求日益增加，輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴(kuò)容的需求，由于過(guò)負(fù)荷造成的停電、斷電故障頻頻發(fā)生，電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的瓶頸，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的出現(xiàn)為電力行業(yè)的變革與發(fā)展提供了契機(jī)。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的基本特性如下[73，74]。

（1）強(qiáng)度高。一般鋼絲的抗拉強(qiáng)度為1240MPa，碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)線芯棒的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到2600MPa，為鋼絲的2倍以上，更適合大跨越輸電。

（2）質(zhì)量輕。碳纖維復(fù)合芯材料的密度約為鋼的1/5，在相同的外徑下，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的質(zhì)量比常規(guī)鋼芯鋁絞線ACSR輕10%～20%。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線彈性模量高，線膨脹系數(shù)小，弛度小。它與ACSR導(dǎo)線相比，具有顯著的低弛度特性。有研究表明，在高溫下碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的弧垂不到鋼芯鋁絞線的1/10，能有效減小架空導(dǎo)線的絕緣空間，提高導(dǎo)線運(yùn)行的安全性和可靠性。

（3）線損小，倍容輸電。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線不同，不存在鋼絲材料引起的磁損和熱效應(yīng)，在相同輸電條件下，具有更低的運(yùn)行溫度和更小的輸電損失。碳纖維導(dǎo)線可以在連續(xù)高溫（150℃）條件下運(yùn)行，其載流量可達(dá)到常規(guī)導(dǎo)線的兩倍左右，達(dá)到倍容輸電的目的。

（4）耐腐蝕，使用壽命長(zhǎng)。與傳統(tǒng)的鋼芯相比，在酸、堿、鹽、紫外線等環(huán)境下，碳纖維復(fù)合材料具有更高的耐腐蝕性，較好地解決了鋁導(dǎo)線長(zhǎng)期運(yùn)行的老化問(wèn)題，延長(zhǎng)了使用壽命。

（5）降低線路改造成本。與傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線相比，在舊線路增容改造中，由于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，在滿(mǎn)足輸電容量的前提下只需要更換導(dǎo)線，無(wú)須改變鐵塔，大大縮短了施工工期，節(jié)省了線路綜合造價(jià)。

山東大學(xué)開(kāi)發(fā)的高性能倍容導(dǎo)線（圖2-33），屬于國(guó)家“十一五”“863”課題，與傳統(tǒng)導(dǎo)線相比，具有更高的傳輸容量，降低了電力損耗，增大了跨距，減少桿塔約20%，節(jié)省用地，減少了有色金屬資源消耗，有助于構(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)約型智能電網(wǎng)，其中多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)超過(guò)了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線技術(shù)的應(yīng)用對(duì)降低輸電損耗、改善輸電環(huán)境有著非常重要的意義，具有廣泛的應(yīng)用前景。

7.原油開(kāi)采

有桿泵抽油技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的機(jī)械采油技術(shù)，而抽油桿是其關(guān)鍵部件之一。抽油桿在工作過(guò)程中，不但要承受交變載荷、震動(dòng)載荷、沖擊載荷等復(fù)雜外力的作用，還受到工作環(huán)境中腐蝕環(huán)境的破壞，如沙子、粉塵、酸、堿、鹽及厭氧菌微生物等，在偏心條件下還要受到抽油桿與套管之間的摩擦，側(cè)面損壞特別嚴(yán)重。目前國(guó)內(nèi)主要有鋼制拉桿和玻璃纖維增強(qiáng)的玻璃鋼拉桿，這兩種抽油桿均呈剛性，由于其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存在一些難以克服的缺點(diǎn)：接頭多，易破損；作業(yè)周期長(zhǎng)，質(zhì)量高，能耗大；壽命低等。抽油桿已成為有桿泵抽油系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，也成為制約這種采油方式進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的“瓶頸”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)由于抽油桿失效引起事故的修井次數(shù)占總數(shù)的60%～70%。我國(guó)目前有30余萬(wàn)口油井，由于地況復(fù)雜，多數(shù)油井處于高滲、低滲水平，需要超深開(kāi)采，目前普通抽油桿已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足油田開(kāi)采的投資和能耗需求，因而，開(kāi)發(fā)綜合性能優(yōu)異的抽油桿是充分挖掘我國(guó)油田資源的當(dāng)務(wù)之急。

與傳統(tǒng)鋼制抽油桿相比，碳纖維復(fù)合材料抽油桿具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐磨性和耐腐蝕性好等特性。其抗疲勞性能好，107次疲勞實(shí)驗(yàn)后，剩余強(qiáng)度90%，同樣條件下，鋼桿的剩余強(qiáng)度僅為30%～40%，從而大大延長(zhǎng)了抽油桿的使用壽命。減輕質(zhì)量，每千米碳纖維抽油桿質(zhì)量?jī)H200～240kg，而鋼制抽油桿每千米的質(zhì)量為3.8t，節(jié)能節(jié)電效果顯著，并使超深井采油成為可能，避免了油田采油設(shè)備的二次投入。抽油桿為連續(xù)長(zhǎng)度，只有上下兩個(gè)接頭，避免了采油過(guò)程中的活塞效應(yīng)，降低了接頭斷脫率，抽油桿的連續(xù)特性，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，節(jié)省了作業(yè)時(shí)間，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。碳纖維抽油桿截面面積小，僅為鋼制抽油桿的20%，使得抽油桿使用過(guò)程中的運(yùn)行阻力大大減小。碳纖維抽油桿柔韌性好，最小曲率半徑為350mm，可盤(pán)繞生產(chǎn)和運(yùn)輸。碳纖維的減磨特性和可彎曲性，極大地減小了摩擦力，保護(hù)了油管。與鋼桿混合使用，可調(diào)節(jié)彈性頻率，實(shí)現(xiàn)超行程抽油，提高產(chǎn)油量。廢桿可回收再利用，運(yùn)輸使用安全方便。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，單純將鋼制抽油桿更換為碳纖維抽油桿，可節(jié)電30%以上，提高產(chǎn)油量20%以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

山東大學(xué)發(fā)明的碳纖維抽油桿（圖2-34），是國(guó)家“十五”“十一五”和“十二五”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃，產(chǎn)品性能優(yōu)異，高效節(jié)能，已成功應(yīng)用于勝利油田。千米碳纖維抽油桿質(zhì)量?jī)H為鋼制抽油桿的5%，可節(jié)電30%、提高產(chǎn)油量30%，使用壽命延長(zhǎng)一倍。該產(chǎn)品已被中國(guó)石油總公司立項(xiàng)為“重大工業(yè)性實(shí)驗(yàn)推廣項(xiàng)目”。

8.汽車(chē)輕量化[75，76]

輕量化技術(shù)是汽車(chē)降低能耗，減少排放的有效途徑之一，采用碳纖維復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)輕量化的關(guān)鍵，其最大的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，能有效降低油耗。為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，碳纖維在汽車(chē)驅(qū)動(dòng)軸、車(chē)身、車(chē)門(mén)、底盤(pán)、橫梁、油箱、懸臂梁、板簧、減速器、變速器支架、座位架、CNG瓶、保險(xiǎn)桿、座椅、行李箱板、導(dǎo)流罩、側(cè)護(hù)板和方向盤(pán)等部件中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

2010年蘭博基尼推出Sesto Elemento概念車(chē)型，車(chē)身80%由碳纖維制造而成，質(zhì)量?jī)H為999kg，車(chē)速?gòu)撵o止提速到100km/h僅需2.5s即可完成。寶馬公司2013年年底推出的純電動(dòng)i3概念轎車(chē)與混合動(dòng)力i8概念運(yùn)動(dòng)轎跑為全新概念的碳纖維電動(dòng)都市豪華轎車(chē)。

9.建筑工程

碳纖維因其強(qiáng)度高、模量大、密度小、耐堿腐蝕、對(duì)人畜無(wú)害等特點(diǎn)，在土木建筑應(yīng)用中日益受到人們的青睞[77]。例如，采用短纖維或長(zhǎng)纖維增強(qiáng)混凝土，可用作高層建筑的外墻墻板，作用是減輕建筑構(gòu)件，安裝施工方便，縮短建筑工期。碳纖維復(fù)合材料具有耐腐蝕、強(qiáng)度高等特性，可廣泛在海堤、造紙廠、化工廠、高速公路護(hù)欄、房屋地基和橋梁、隧道、飛機(jī)跑道等場(chǎng)合使用。此外，纖維具有良好的阻燃性能，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將碳纖維復(fù)合材料粘貼在結(jié)構(gòu)物需要加固的部位，是建筑補(bǔ)強(qiáng)的新材料。