杨小平
（北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室、国家碳纤维工程技术研究中心）
以高性能碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Composites - CFRP）为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，在电力生产和输送、石油开采、压缩天然气储存和电动汽车等新能源领域中发挥着不可替代的作用。如果说碳纤维复合材料在航空航天领域的应用和规模代表了其技术的成熟度和水平，为了解决全球气候变暖、温室气体排放等环境问题，碳纤维复合材料在新能源领域的应用更应值得我们关注和努力。随着国产化碳纤维低成本制造与应用技术的突破，我国现在在投和计划投资的碳纤维产能超过了50，000吨/年，如何更好地推进碳纤维复合材料在新能源领域的制造和应用水平，将直接影响着国家节能、环保目标的实现。
一、碳纤维复合材料在电力生产和输送中的应用
电力是国家能源的重中之重，作为典型的清洁能源，核电不会向大气中排放巨量的污染物质，不会产生二氧化碳的温室效应，核电使用的铀燃料能量密度高，运输和贮存方便。“十二五”期间我国规划核电装机容量达到3000-4000万千瓦，2020年将达到7000-8000万千瓦。尽管这样，也只能把我国核电占全部电力装
机容量的比重从现在的不到2%提高到5%。实现核电清洁能源的关键是核燃料的供应，一个核燃料生产工厂一般由数十万台相同的专用分离器组成（见图1），如果能够提高每个分离器的生产能力，则整个工厂的生产能力会得到极大的提高，选用高比强度和比模量的材料是这种专用设备设计的原则之一。随着材料科学的发展，核电先进技术国家已开始采用全碳纤维复合材料结构的分离器，生产效率为第一代分离器的8倍多。高强度和高模量的碳纤维复合材料的应用是世界各国核燃料生产技术发展的趋势，美国Hexcel公司两年前宣布，将为美国核燃料生产设备提供专用碳纤维，日本Toho Tenax 公司的也开发了用于该类设备的专用碳纤维。对于一个核燃料生产工厂需要的这类碳纤维缠绕复合材料设备动则数十万套，需要碳纤维数百吨。因此，核电领域将是碳纤维复合材料应用的广阔市场之一。
图1 碳纤维复合材料专用分离器
风能是一种清洁再生能源，取之不尽，用之不竭。按80 m高度处风速为 6.9 m/s计算得出全球风能可利用资源量为7.2 PW。根据预计2015年全球用电量将达到 2.2 PW ，到2030年用电量将达到 3.0PW（1PW=1000GW）。如果全球风力发电技术和规模水平能达到利用
10 %的风能资源，那就足以承载全球1/4的电力需求量。中国风能资源总储量约32.3亿KW，可开发和利用的陆地风能储量有2.53亿KW。按照规划到2010年，每年新增机组约800MW，相当于533台1.5MW机组；到2020年，每年新增机组1933MW，相当于1667台1.5MW机组, 到2020年中国市场将需要超过2.5万台大容量风机。
风能是一种可以长期利用的可再生自然能源，风力发电技术也比较成熟，在现今世界能源和环境压力日益严重的形势下，风力发电设备的应用前景广阔。风力发电装备的关键部件叶片，现多使用玻璃纤维增强材料(GFRP)制造，难于满足叶片尺寸加大对刚性的要求。碳纤维复合材料在叶片上的应用，无疑将促进风能发电产业的发展。风力发电机超过3MW、叶片长度超过40米时，在叶片制造时采用碳纤维已成为必要的选择，由于材料用量、运输和安装成本等的下降，其成本反而比GFRP叶片便宜。另外，利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。就GFRP叶片的模量和强度来说，目前的临界长度大约是60m。而碳纤维复合材料的比强度约是GFRP的2倍，比模量约是GFR
P 的3倍。采用碳纤维复合材料能够增加叶片的临界长度。LM公司开发61.5m大型复合材料叶片时，为了保证叶片能够安全承担风力、温度等外界载荷，采用了玻纤／碳纤维混杂复合材料结构，在横梁和翼缘等要求较高的部位使用碳纤维作为增强材料，单片叶片质量达15t。丹麦风机生产商维斯塔斯(Vestas)公司在风机叶片的载荷加强杆中使用碳纤维，目前为止安装了将近3.4万套的风机系统。西班牙Gamesa公司宣称在全球已收到超过8000MW的风力发电机订单，其中3000MW已经安装完毕。当前，全球风机装机容量仍处于加速增长期，由碳纤维复合材料长叶片制成的大容量风机将成为主导趋势，欧洲和亚洲在这一领域已领先于美国。中国风能资源总储量达32.26亿千瓦，居世界第一。预计中国风电可能在2020年超过核电，成为继煤电和水电之后的第三大主力电源。
如何高效地输送电能也是能源有效利用的重要领域。提高导线运行温度是在不增加导线截面积情况下有效地提高输电能力的一种方法，但若要继续提高运行温度，由于弧垂增大和钢芯的蠕变引起永久变形，将严重影响现有的杆塔基础和架线规程，降低线路使用寿命和运行的安全性。如果更大幅度地提高导线的工作温度，相应必须解决的问题三个问题：提高高温下线芯强度；减小高温下导线弧垂；减小高温下铝导体的电阻。美国CTC公司2003年开发了拉挤成型的碳纤维复合材料芯铝导线(ACCC)，目前在国内外都已完成了其工业应用试验，在节约能源和土地资源方面成效显著。据中电联报道，我国每年新增输电线路约100万Km，老化改造线路约20万公里，并以每年50%-60%的速度递增。国外的电力市场潜力同样巨大，以美国为例，预计在未来十年的时间，用于更新输电基础设施的投资将达560亿美元。这些
都为碳纤维复合导线的应用提供了巨大的潜在市场。许多学者已从不同角度介绍了碳纤维电缆芯的制备、配套设备、工程施工以及工业试验的技术和进展，本文不再赘述。
二、碳纤维复合材料在石油开采中的应用
石油是一种宝贵而有限的能源，世界上机械采油井数已超过总生产井数的90%以上，80%左右的机械采油井都采用有杆泵抽油模式。我国80%左右的生产井也是采用有杆泵抽油模式，各主要油田相继进入开发中后期，原油平均含水在80％以上，泵挂深度2000m以上深井数占总井数的15％以上，腐蚀井的井数也占总井数15％以上，这个比例还将呈上升趋势。在有杆泵抽油系统中，抽油杆是关键部件之一。传统金属抽油杆自身重大，易腐蚀，疲劳性能较差，采油事故发生率高，而采用碳纤维复合材料拉挤成型技术开发的连续抽油杆具有轻质、高强、耐腐蚀、耐磨损的特点，使采油效率大为提高，广泛适用于高含水油井、深井、超深井和腐蚀井的原油开采。有杆泵采油是当前国内外应用最广泛的机械采油技术。
碳纤维抽油杆用于有杆泵系统采油的应用研究起源于美国，美国利用其独特的航空航天技术和材料技术，于20世纪90年代初研制成功碳纤维杆、专用的油井作业设备和碳纤维抽
油杆--钢抽油杆的混合抽油杆柱设计软件，并进行了矿场试验。1991年5月至1995年11月美国在33口抽油井中使用了碳纤维杆，平均泵挂深度为1444m，平均泵径为50.5mm，7口井的平均冲数为10.5min-1，平均地面冲程为3.94m，碳纤维杆的长度占整个抽油杆柱长度的平均比例为56.8％，井液平均含水88.
8％，平均日产液91.7t。其中有一口井正常运行了4年，另一口含H2S的井正常运行了3年，还有几口井也连续运行了3年多。这33口井在4年半的矿场试验中共作业45井次，最主要的失效形式是钢接头疲劳断裂和碳纤维杆端部连接部位失效，其次是由于碳纤维杆受压应力引起失效。试验结果表明：碳纤维杆是一种很有发展前途的特种抽油杆。
国内在2000年前后，北京化工大学、山东大学和胜利油田等开展了碳纤维连续抽油杆的制造技术和工程应用技术研发，研制了具有自主知识产权的拉挤成型碳纤维复合材料抽油杆，其耐温分别为90℃、120℃和150℃的碳纤维连续抽油杆，建造了多条碳纤维拉挤生产线。进行了碳纤维连续抽油杆和金属接头的电化学腐蚀等服役行为及其可靠性研究。进行了碳纤维连续抽油杆采油系统的关键技术和理论研究，建立了碳纤维连续抽油杆应用的杆柱设计和故障诊断的计算机软件。实施了碳纤维连续抽油杆应用的关键配套装备，如碳纤维连续抽油杆的专用下井作业车、碳纤维杆专用超长冲程抽油机、专用超长冲程抽油泵、碳纤维杆采油工艺配套辅助设备与工具开发，建立了以碳纤维连续抽油杆为核心的新型采油装备及系统。
从2001年6月第一口油井矿场试验开始，碳纤维抽油杆已在胜利油田的胜利采油厂、东幸采油厂、河口采油厂、纯梁采油厂、孤岛采油厂等五家采油厂进行了前后4年，总共50口油井（井次）的碳纤维连续抽油杆的现场应用试验结果统计：碳纤维连续抽油杆和钢制抽油杆比较，具有耐疲劳、节能、耐腐蚀、作业速度快、增加产液量等多项优点。经统计，平均节能50%以上；到目前为止，没有一口井因腐蚀或
疲劳断裂失效。碳纤维连续抽油杆的单井产液量平均提高4-8t/d，泵效平均提高约24％，另外光杆悬点载荷降低了45%以上，电流降低了50%以上。在提高抽油效率，减少抽油杆偏磨，降低结蜡等方面，具有明显的效果。最长的抽油杆已连续使用了3年之多，最大下井深度已经达到了2800米。
深海油气开采代表了当今世界石油开发的一大趋势。我国海洋油气资源潜力十分巨大，但与陆地石油勘探相比，深海油气勘探整体上处于早期阶段，同时与世界先进国家也存在较大的差距，加快深海油气开发已成为我国当前石油战略发展的重要课题。随着我国石油和天然气资源在陆地及浅海的急剧减少，近海油气田勘探已逐渐向深海发展，开采海域深度向1500米至3000米深水发展。这就给原来适用于浅海海域的钻井平台及其配套设施带来了不可回避的技术难题，传统钢质材料无法有效地解决。如：钢材的比重过大，一个1500米水深的钻井平台，其钢制系缆的重量就达6500吨左右，给钻井平台带来极大的载重负荷，增加了平台的建造成本，且钢材在海水中耐腐蚀性差，造成钻井平台的钢制系缆和管道平均工作寿命仅为2-3年。因此，对于能够承受恶劣海洋气候的轻质高强材料的需求也迫在眉睫。由于碳纤维复合材料具有模量高、强度大（是钢的7-9倍）、耐腐蚀性强、易于修补、抗冲击性强、热膨胀系数和导热性低、质量轻又无浮力等诸多优点，可被深海石油开采业应用于深海石油平台的结构件上。主要应用于脐带管加强杆、锚链系缆、采油立管、柔性立管等方面。图2和图3 分别显示了碳纤维加强杆增强的脐带式管缆和碳纤维复合材料钻井立管的外观。碳纤维复合材料制成的系缆可用于开采深度达3000米的深海作业平台，而且耐腐蚀性优异，工作寿命可达25年。由此可见，在深海油气开发领域，尽快研发和产业化应用轻质高强、性能优异的碳纤维复合材料构件是非常必要的，也是产业急需的。
图2 碳纤维加强杆增强的脐带式管缆
图3 待安装的碳纤维复合材料钻井立管
核燃料汽车三、碳纤维复合材料在压缩天然气储存方面的应用
压缩天然气（Compressed Natural Gas - CNG）是一种较理想的能源，具有成本低、效益高、无污染、使用安全等特点，作为汽车动力和生活燃料来源已有几十年历史。作为CNG储存容器的气瓶是CNG动力的关键部件。由于CNG汽车的逐渐推广，CNG气瓶将具有十分广阔的前景。CNG气瓶可用合金钢瓶，也可以是复合材料气瓶。CNG 复合材料气瓶是在金属或塑料内衬外缠绕纤维增强树脂。按结构形式可以分为全缠绕、环缠绕；按内胆材料可分为塑料内胆、铝合金内胆和钛合金内胆、不锈钢内胆；按几何形状分为柱形和球形。与钢瓶相比，碳纤维复合材料气瓶具有以下优点：
1）力学强度高碳纤维复合材料的比强度和比模量高，可使气瓶重量大幅下降，提高汽车的有效载荷，增加行驶速度。
2）破损安全性好复合材料气瓶采用大量纤维增强，每平方厘米上的纤维多达几千几万根，当复合材料气瓶超载并发生少量纤维断裂时，其载荷会迅速重新分配在未破坏的纤维上，这在短期乃至相当一段时间内不致使气瓶丧失承载能力。
3）减震性好复合材料中纤维与树脂基体界面具有吸震能力，震动阻尼甚高，抗声振疲劳性亦佳。
20 世纪90 年代国际标准化组织（ISO）和欧洲标准化技术委员会（CEN）以及天然气汽车联盟起草批准复合材料气瓶新标准，允许采用碳纤维与塑料内胆的复合气瓶，压缩天然气车也随之成为碳纤维复合气瓶的主要市场之一。当前，国内外厂家制造复合材料CNG气瓶时使用的树脂体系一般是双酚A环氧树脂/酸酐体系，考虑到价格和生产效率因素，使用的碳纤维一般是T300级或T700级12k以上大丝束碳纤维。在复合材料CNG气瓶的研制和开发方面，主要生产商有挪威CETech公司、美国Lincoln公司和美国HydrosPin公司、俄罗斯机
械技术股份公司、俄罗斯依热夫斯基钢瓶有限公司、法国HM公司、美国SCI公司等。其中，挪威CETech公司（气瓶长度可达30m、直径可达3m）和Lincoln公司（气瓶长度可达11.6m、直径可达1.1m）生产的复合材料CNG气瓶处于领先地位，已制造出多种大尺寸复合材料CNG 气瓶并应用于工业和民用。图4为Lincoln公司制造的大型CNG储瓶。
图4 Lincoln公司的大型CNG储瓶
四、碳纤维复合材料在电动汽车上的应用
国际上对于汽车的CO2排放政策，欧洲在2010年度指标是140g-CO2/km，2015年要求下降到120 g- CO2/km.日本2010年度指标是170 g- CO2/km，在2015年则要求下降到135 g- CO2/km。为了进一步加大节能减排力度，2009年5月19日奥巴马在白宫宣布了限制汽车温室气体排放和耗油的新法规，要求在2016年新车平均燃油经济性（CAFE）达到35.5英里/加仑，即在2007年水平基础上提高42%。汽车工业为了应对国际上对于汽车的CO2排放政策，必须提高燃油效率，降低汽车自身重量以及同时保证安全与乘用舒适等方面研发革新技术。如日本丰田（TOYOTA）力争在2011年实现中小轿车轻量化10%，尼桑轿车在2015年实现轻量化15%，三菱2010年在概念车上实现30%轻量化。轻量化材料在新能源汽车和现有的燃油汽车领域的应用都可降低油耗和减少排放，是国外汽车材料发展的重点。当前，汽车工业正面对资源和环境的严峻挑战，推进汽车轻量化以降低油耗，是汽车工业发展的主题。美国环保署(EPA)在新公布的管理规定中要求乘用车在2016年前达到平均每加仑燃油行驶35.5英里，而在现行规定中，汽车的燃油经济标准是每加仑27.5英里。
复合材料因具有加工能耗低, 轻质高强, 可设计性强, 耐锈蚀, 成型工艺性好等优点, 成为汽车工业以塑代钢的理想材料。通用汽车公司1953年生产的世界上第一辆复合材料汽车车身汽车Chevrolet Corvette，开创了复合材料在汽车领域的应用。据统计，汽车用复合材料已占全球复合材料总量的23%以上，并呈逐步上升的趋势。美国、日本、欧洲的德国，意大利等发达国家是车用复合材料的主要国家，全球汽车用增强塑料制品的市场规模为每年454万吨。日本每辆汽车平均使用的纤维增强塑料制品达100kg，约占
汽车材料消费总量的7.5%，其汽车用复合材料部件制造的整体技术水平高，大量采用SMC/BMC材料，采用流水线作业方式，机械化、自动化程度高，产品质量好，经济效益高。目前，纤维增强树脂复合材料已被广泛应用于桥车、客车、卡车等的各种覆盖件和结构件上。采用碳纤维复合材料制造汽车部件，可减少汽车重量节省燃料、提高驾驶舒适性、改善抗冲击安全性、提高减振性能、便于汽车部件的整体组装，与其他纤维增强复合材料相比更适于成为汽车轻量化材料。在国际上，碳纤维复合材料已经应用于汽车的车身部件（壳体、地板、车门、前端板、阻流板等）、悬挂部件（前后保险杠、仪表板等）、动力部件（传动轴、导流罩、发动机外壳等）、车内装饰（门内饰板、车门把手、仪表盘等）。热固性和热塑性的碳纤维复合材料可适用于不同的汽
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