9 CFRP作為電力電纜的芯材

電能是生產(chǎn)生活必需的一種常備能源。電能在從發(fā)電廠輸送至用電場所的過程中，存在著嚴(yán)重的線損問題。線損即指輸電、變電、配電等電力輸送環(huán)節(jié)產(chǎn)生的電能耗損。

增大架空線中傳輸?shù)碾娏鲿斐呻娎|發(fā)熱。若此時電纜材質(zhì)耐熱性能差，則電纜的承載力會下降，進而產(chǎn)生弧垂。而弧垂既是一個重要的線損源，也是限制架空線提高傳輸容量的主要因素。

鋼芯鋁導(dǎo)線中的增強鋼芯受熱即產(chǎn)生弧垂，超過70℃時弧垂會使電纜嚴(yán)重下垂，更有可能與鄰近物體接觸導(dǎo)致短路，甚至落至地面危及人員生命于安全。由弧垂引發(fā)的短路會使鄰近的架空線和變壓器瞬間過載，引起災(zāi)難性故障。自承式鋁絞線雖能允許短暫的、較高的運行溫度（150℃），但也無法避免弧垂的產(chǎn)生。

復(fù)合材料芯材鋁導(dǎo)線（ACCC）以復(fù)合材料芯材替代金屬芯材，為解決架空線弧垂問題開辟了更有效的技術(shù)途徑。2002年，基于ACCC專利技術(shù)，全球供配電設(shè)備企業(yè)——美國CTC公司（CTC Global）展開了產(chǎn)品的研發(fā)，以期將其投入使用。當(dāng)時的開發(fā)目標(biāo)是，在不對現(xiàn)有架空線承載塔架做任何變動且不增加現(xiàn)行導(dǎo)線質(zhì)量或直徑的前提下，開發(fā)CFRP芯材來承載鋁導(dǎo)線，以降低熱弧垂、增大塔架距離、承載更大電流、減少線損、提高供電網(wǎng)絡(luò)可靠性等。2005年，該公司推出商業(yè)化的ACCC導(dǎo)線產(chǎn)品，其研制生產(chǎn)的CFRP芯鋁導(dǎo)線的強度是同等質(zhì)量鋼芯鋁導(dǎo)線的2倍、傳輸?shù)碾娏魅萘渴瞧渌静匿X導(dǎo)線的2倍、線損較其他芯材鋁導(dǎo)線降低了25%~40%，其高容、高效和低弧垂等性能遠遠超越了其他材質(zhì)芯材鋁導(dǎo)線。

10 CFRP作為壓力容器的纏繞增強材料

高壓容器主要用于航空航天器、艦船、車輛等運載工具所需氣態(tài)或液態(tài)燃料的儲存，以及消防員、潛水員用正壓式空氣呼吸器的儲氣。為了能在有限空間內(nèi)盡可能多地存儲氣體，需對氣體進行加壓，因此，需提高容器的承壓能力，對容器進行增強，以確保安全。

20世紀(jì)40年代，美國開始系統(tǒng)用復(fù)合材料增強高壓容器的研究。1946年，美國研制出纖維纏繞壓力容器；20世紀(jì)60年代，又在北極星和土星等型號的固體火箭發(fā)動機殼體上采用纖維纏繞技術(shù)，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強。1975年，美國開始研制輕質(zhì)復(fù)合材料高壓氣瓶，采用S-玻纖/環(huán)氧、對位芳綸/環(huán)氧纏繞技術(shù)，制造復(fù)合材料增強壓力容器。

后來，科學(xué)家們紛紛研制出由玻纖、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸和PBO纖維等增強的多種先進復(fù)合材料。其中，對位芳綸曾大量用于各種航空航天器用壓力容器的纏繞增強，后逐漸被碳纖維所取代。20世紀(jì)70年代，纖維纏繞金屬內(nèi)襯輕質(zhì)壓力容器被大量用于航天器的動力系統(tǒng)中；20世紀(jì)80年代，碳纖維增強無縫鋁合金內(nèi)襯復(fù)合壓力容器出現(xiàn)，其使壓力容器的制造費用更低、質(zhì)量更輕、可靠性更高。復(fù)合材料增強壓力容器具有破裂前先泄漏的疲勞失效模式，提高了安全性。因此，全纏繞復(fù)合材料高壓容器已在運載火箭等航天器中廣泛使用。

高性能纖維是全纏繞纖維增強復(fù)合壓力容器的主要增強體。通過對高性能纖維的含量、張力、纏繞軌跡等進行設(shè)計和控制，可充分發(fā)揮高性能纖維的性能，確保復(fù)合壓力容器性能均一、穩(wěn)定，壓力離散差小。車用高壓Ш型氫氣瓶（金屬內(nèi)膽全纏繞）的材料成本中，近70%為增強纖維，其余約30%為內(nèi)膽和其他材料。

20世紀(jì)30年代，意大利率先將天然氣用做汽車燃料。早期車用氣均使用鋼質(zhì)氣瓶，其厚重問題始終限制著鋼質(zhì)氣瓶的擴大應(yīng)用。20世紀(jì)80年代初，玻璃纖維環(huán)向增強鋁（或鋼）內(nèi)膽的復(fù)合氣瓶誕生。由于環(huán)向增強復(fù)合氣瓶的軸向強度欠佳，故其金屬內(nèi)膽依然較厚。為解決此問題，同時對環(huán)向和軸向進行增強的全纏繞纖維增強復(fù)合氣瓶應(yīng)運而生，其金屬內(nèi)膽的厚度大幅減薄，質(zhì)量顯著減小。20世紀(jì)90年代，以塑料作為內(nèi)膽的復(fù)合氣瓶出現(xiàn)。新能源汽車領(lǐng)域，高壓氣瓶的應(yīng)用主要是燃料電池動力汽車用高壓儲氫氣瓶，其壓力已到達70 MPa。

（后續(xù)請見碳纖維的十六個主要應(yīng)用領(lǐng)域及近期技術(shù)進展(六)）

江蘇優(yōu)培德復(fù)合材料有限公司致力于碳纖維等復(fù)合材料汽車及工業(yè)領(lǐng)域的高性能零件開發(fā)、試制、及生產(chǎn)，配備有復(fù)合材料不同生產(chǎn)工藝如模壓、RTM、真空導(dǎo)入、纏繞等，根據(jù)不同的產(chǎn)品需求及量綱要求提供整體解決方案。

公司與所從事的專業(yè)領(lǐng)域在國內(nèi)外的模具及原材料供應(yīng)商建立緊密合作關(guān)系，使我們的產(chǎn)品在選材、品質(zhì)、工藝及成本上均能提供客戶更優(yōu)的方案。通過公司的專業(yè)管理機理念成為客戶在中國及全球工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域輕量化零部件開發(fā)及生產(chǎn)的伙伴。