碳纖維復(fù)合材料在新能源產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用探究

徐 敏

（中國(guó)藍(lán)星集團(tuán)總公司藍(lán)星環(huán)境工程有限公司，北京 100000）

碳纖維復(fù)合材料在新能源產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用探究

徐 敏

（中國(guó)藍(lán)星集團(tuán)總公司藍(lán)星環(huán)境工程有限公司，北京 100000）

節(jié)能與新能源產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今中國(guó)迫切需要快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，也是當(dāng)前我國(guó)極具發(fā)展前景的產(chǎn)業(yè).碳纖維復(fù)合材料在新能源產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用,首先要充分了解碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)越性能, 發(fā)展低成本的碳纖維成型技術(shù),發(fā)展電力產(chǎn)業(yè)、石油產(chǎn)業(yè)、天然氣方面以及電動(dòng)汽車方面的終端產(chǎn)業(yè)鏈,隨著認(rèn)識(shí)越來(lái)越充分,技術(shù)越來(lái)越成熟, 碳纖維復(fù)合材料在新能源產(chǎn)業(yè)中一定會(huì)發(fā)揮越起來(lái)越重要的作用。

碳纖維復(fù)合材料；新能源產(chǎn)業(yè)；應(yīng)用

高性能碳纖復(fù)合材料是先進(jìn)復(fù)合材料的典型代表，作為結(jié)構(gòu)與功能的一體化材料，碳纖維復(fù)合材料在電力產(chǎn)業(yè)、石油工業(yè)、天然氣、電動(dòng)汽車等新能源領(lǐng)域中扮演著非常重要的角色。而相對(duì)于傳統(tǒng)化石能源而言的新能源，以新材料和新技術(shù)作為基礎(chǔ)，包括風(fēng)能、海洋能、地?zé)崮堋⒑四堋⑻?yáng)能等可再生能源以及對(duì)傳統(tǒng)能源技術(shù)進(jìn)行變革所形成的新的能源等[1]，碳纖維復(fù)合材料在新能源產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用是符合時(shí)代主題的發(fā)展的必然方向,我們必須重視并為之努力。

1 碳纖維復(fù)合材料在電力產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

風(fēng)電的價(jià)格與風(fēng)機(jī)功能是有關(guān)的，在一定范圍內(nèi)他們成反比例的關(guān)系，也就是說(shuō)電機(jī)功率越大，單位發(fā)電的成本也就越低。風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件之一就是葉片，而葉片的長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)機(jī)的功率起重要作用。提高發(fā)電機(jī)的功率對(duì)葉片的長(zhǎng)度、質(zhì)量、材料強(qiáng)度有很高的要求。在發(fā)展更大功率風(fēng)力發(fā)電裝置和更長(zhǎng)轉(zhuǎn)子葉片時(shí)，采用性能更好的碳纖維復(fù)合材料勢(shì)在必行[2]。目前全球已經(jīng)有不少的公司已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，如：德國(guó)葉片制造商N(yùn)ordex Rotor采用了碳纖維新制造的56 m長(zhǎng)，5MW風(fēng)機(jī)葉片，他們認(rèn)為葉片超過(guò)一定尺寸后， 碳纖維葉片的制作成本要低于玻璃纖維制造。用碳纖維代替以往的玻璃纖維，再加上新型成型的加工技術(shù)，碳纖維復(fù)合材料在電力生產(chǎn)中一定會(huì)發(fā)揮起來(lái)越重要的作用。

此外，碳纖維復(fù)合導(dǎo)線輸電導(dǎo)線中也存在巨大的潛在市場(chǎng)，碳纖維復(fù)合導(dǎo)線可以提高輸送電能的效率，也是能源利用的重要領(lǐng)域。

2 碳纖維復(fù)合材料在石油產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

石油是一種非常寶貴的能源，也是有限且不可再生的能源，當(dāng)今綜合國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)的重要因素。在我國(guó),機(jī)械采油井?dāng)?shù)占總生產(chǎn)井?dāng)?shù)的90％以上，在其中80％是采用傳統(tǒng)的桿泵抽油模式。這種金屬抽油桿存在著大重量、易腐蝕、低疲勞性能，采油事故發(fā)生率高的缺點(diǎn)，而采用碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿徹底的克制了這些缺點(diǎn)，具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、耐磨損的特點(diǎn)，大大提高采油效率，應(yīng)用前景十分廣泛。不可忽視的是，深海油氣開(kāi)采是當(dāng)今世界石油開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)，且我國(guó)深海油較豐富，更好更快的開(kāi)發(fā)深海油氣也是我國(guó)當(dāng)前石油戰(zhàn)略發(fā)展的重要課題。目前，我國(guó)開(kāi)采海域深度已經(jīng)達(dá)到1500 ～ 3000m，深度不斷加深給原有的開(kāi)采設(shè)備和技術(shù)帶來(lái)了難以攻克的技術(shù)難題。由此可見(jiàn)在深海油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件的研發(fā)是未來(lái)必然發(fā)展的方向。

3 碳纖維復(fù)合材料在天然氣方面的應(yīng)用

壓縮天然氣（Compressed NaturalGas，CNG）在我國(guó)應(yīng)用較為廣泛，用起來(lái)比較安全，成本低、無(wú)污染，是一咱比較理想的能源。氣瓶是CNG的儲(chǔ)存容器，是CNG的關(guān)鍵部件。這種氣瓶是合金鋼瓶或復(fù)合材料氣瓶均可。相對(duì)于鋼瓶而言，碳纖維復(fù)合材料氣瓶破損安全性好，當(dāng)復(fù)合材料氣瓶超載時(shí)可能發(fā)生少量纖維斷裂，此時(shí)壓力載荷會(huì)迅速在未破壞的纖維上重新分配，不致使氣瓶在短期內(nèi)推動(dòng)承載能力。20世紀(jì)90年代，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（I S O）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（C E N）以及天然氣汽車聯(lián)盟起草批準(zhǔn)復(fù)合材料氣瓶新標(biāo)準(zhǔn)，允許采用碳纖維與塑料內(nèi)膽的復(fù)合氣瓶，壓縮天然汽車也隨之成為碳纖維復(fù)合氣瓶的主要市場(chǎng)之一[3]。

碳纖維材料是一種在航空航天、軍工、高壓管道和壓力容器、建筑結(jié)構(gòu)工程補(bǔ)強(qiáng)（橋梁、電站、水利工程及古建筑）等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的高新技術(shù)材料[4]。碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)用于管道補(bǔ)強(qiáng)不需動(dòng)火，即在帶壓運(yùn)行狀態(tài)下即可進(jìn)行修復(fù)，且簡(jiǎn)單快捷，操作時(shí)間短，應(yīng)用范圍十分廣泛，碳纖維的抗拉強(qiáng)度高，管道修復(fù)中有較高的安全性，它既可用于腐蝕、和裂紋等缺陷修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，也可用于整個(gè)管段的提壓增強(qiáng)處理。

4 碳纖維復(fù)合材料在電動(dòng)汽車方面的應(yīng)用

復(fù)合材料加工能耗低、且輕質(zhì)高強(qiáng)、成型工藝性好，已然是汽車工業(yè)以塑代鋼的理想材料。目前，汽車工業(yè)空前興盛，但也正面臨資源和環(huán)境的巨大挑戰(zhàn)，如何推進(jìn)汽車輕量化達(dá)到降低油耗的目的，是汽車工業(yè)發(fā)展的主題。正因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料擁有的熱固性和熱塑性，因此可適用于不同的汽車部件。在國(guó)際上，碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用于汽車的包括車身部件、動(dòng)力部件等各個(gè)部件。值得提出的是，實(shí)現(xiàn)在汽車上真正的大規(guī)模應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，需要突破很多關(guān)鍵技術(shù)。

節(jié)能與新能源產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今中國(guó)迫切需要快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，節(jié)能與新能源產(chǎn)業(yè)是當(dāng)前我國(guó)極具發(fā)展前景的產(chǎn)業(yè)。新能源產(chǎn)業(yè)作為支撐中國(guó)經(jīng)濟(jì)順利走向低碳、綠色的道路和在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中爭(zhēng)取科技經(jīng)濟(jì)制高點(diǎn)的關(guān)鍵力量,應(yīng)得到足夠的關(guān)注和科學(xué)的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料在新能源產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用,首先要充分了解碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)越性能, 發(fā)展低成本的碳纖維成型技術(shù),發(fā)展電力產(chǎn)業(yè)、石油產(chǎn)業(yè)、 天然氣方面以及電動(dòng)汽車方面的終端產(chǎn)業(yè)鏈,隨著認(rèn)識(shí)越來(lái)越充分,技術(shù)越來(lái)越成熟, 碳纖維復(fù)合材料在新能源產(chǎn)業(yè)中一定會(huì)發(fā)揮越起來(lái)越重要的作用。

[1]陳偉.日本新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展及其與中國(guó)的比較[J].中國(guó)人口·資源與環(huán)境,2010（06）：103-110.

[2]羅永康,李煒.碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用[A].電網(wǎng)與清潔能源,2008（05）：53-57.

[3]楊小平,隋剛.碳纖維復(fù)合材料在新能源產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展熱點(diǎn)，2012（02）：10-24.

[4]劉國(guó),鄭巖.碳纖維復(fù)合材料在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿谰S修補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用[J].城市燃?xì)?2005（387）：21-23.