碳纤维应用在中国制造2025中的特殊意义

摘要

碳纤维，一种高科技新材料，虽成本较高，但在中国制造2025战略中扮演重要角色。其在高档数控机床、机器人、航空航天、海洋工程、轨道交通、新能源汽车、电力装备、农机装备及高性能医疗器械等领域均有广泛应用。碳纤维有助于提高产品性能，推动产业升级，如提升机床动平衡性能、降低能耗，实现车体轻量化，提升医疗器械性能等。碳纤维的广泛应用将有力推动中国制造业的转型升级和创新发展。

正文

碳纤维作为一种新型高科技材料，虽然应用成本比传统金属材料要高，但是在提升产品性能、加速产业提质升级方面具有特殊意义。国务院印发《关于中国制造2025的通知》中明确提出了高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、生物医药及高性能医疗器械等十个重点发展领域，碳纤维材料在这些领域中均有不同形式的应用。

高档数控机床、机器人和碳纤维

中国制造2025发展战略把精密、高速、高效、柔性数控机床与基础制造装备及集成制造系统作为高档数控机床的重点任务，要求机器人产业加速满足市场对汽车、机械、电子、危险品制造、国防军工、化工、轻工等工业机器人、特种机器人，以及医疗健康、家庭服务、教育娱乐等服务机器人日益增长的需求。

以碳纤维材料制成的辊轴、齿轮等机床零配件，在动平衡、启动制停速度、降低能耗和使用寿命方面具有很大的价值空间，成为高端机械积极探索和实现产品更新换代的重要途径和方向。碳纤维机械手臂、碳纤维机械关节等这些机器人产业对新材料的应用，使机器人能在很大程度上摆脱自重过大的弊端，并利用碳纤维材料较小的蠕变性保证了在温差较大的环境中稳定的工作状态，在更轻更强的优势中获得了更高层面的应用潜力。

航空航天装备与碳纤维

加快大型飞机研制，开发先进机载设备及系统，形成自主完整的航空产业链，发展新一代运载火箭、重型运载器，提升进入空间能力，推进航天技术转化与空间技术应用是中国2025制造整体战略对航空航天装备事业提出的总体目标。

从过去的十年来看，高性能的碳纤维及复合材料的新增产能多以满足航空航天需要为主，例如，去年地面试车成功的快舟十一号固体运载火箭就采用碳纤维固体火箭发动机壳体。而近五到十年内，碳纤维复合材料在民用飞机上的应用也在高速成倍地增长，减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼等部位的材料逐渐向碳纤维复合材料靠拢，碳纤维复合材料在民用飞机上的比重甚至达到了22%，占用于机体中的复合材料的绝大多数。随着我国军用飞机、支线飞机ARJ21及大型商用客机C919项目的开展和我国航天事业的发展，碳纤维复合材料的用量将会不断增长。

海洋工程装备、高技术船舶与碳纤维

《通知》要求大力发展深海探测、资源开发利用、海上作业保障装备及其关键系统和专用设备。

碳纤维材料已成为深海探测及深海油田气开发中必不可少的材料，碳纤维脐带管加强杆、锚泊系缆、采油立管、柔性立管等结构件在深海石油平台上的应用越来越多。油气田生产深度一般在3000m 以上，勘探深度在4000m 以上，油气田结构件设计必须达到25年免维护的标准。传统海上油气田相关用材为钢材，如将平台锚固到海底的系缆和连接油井口到平台的管缆。钢制绳索和管子的重量增大了平台的漂浮尺寸，增加能耗。钢材在海水的浸泡下也极易腐蚀，工作寿命只有两到三年，周期性检修和管缆维护成本极高。相比之下，碳纤维材料的性能具有明显的优越性，例如一个1500m水深的作业平台，钢制绳索重约6000t，而改用碳纤维复合材料质量仅有1000t。另外，其高强度、高模量、优异的抗疲劳性和耐腐蚀性，使其工作寿命可超过25年，极大地减少了维护成本。在高技术船舶中，碳纤维材料的应用也在逐步发展，如碳纤维艏侧推水密盖板等碳纤维船舶结构件的开发和利用，对船舶在速度和能耗方面都有显著的影响。

先进轨道交通装备与碳纤维

中国2025制造战略将加快新材料、新技术和新工艺的应用，重点突破体系化安全保障、节能环保、数字化智能化网络化技术，研制先进可靠适用的产品和轻量化、模块化、谱系化产品作为研发新一代绿色智能、高速重载轨道交通装备系统，建立世界领先的现代轨道交通产业体系的主要途径。

碳纤维材料能完美演绎“节能环保”与“轻量化”两个概念，轨道车辆中的车头罩座椅骨架、转向架等车体结构件及墙板、顶板、间壁、座椅骨架、司机台等内饰部件都可以使用碳纤维复合材料，轻量化在实现车体大幅度减重的同时，减少燃料使用和废气排放，提升车速。材料本身的高强度、高拉伸载荷力以及极小的变形性也在一定程度上保障了车体安全。但是车体内部为封闭性空间，高速运行之下，车体内部环境对构成车体的结构材料和内饰材料都提出了更高要求。为了进一步满足轨道交通装备对车体安全的需求，无锡威盛新材料科技有限公司专门针对高铁等轨道车辆运行的特殊性，研发出耐高温阻燃性碳纤维复合材料，在保持原有的机械强度、耐腐蚀、抗辐射、耐湿热等优势的同时，提升了复合材料的耐磨性、韧性及透波性，在遇到高温或者火灾等事故时，能做到低烟、低毒和低热释放的性能，大大提高了轨道交通车辆运行的安全性和稳定性。通过推动碳纤维在轨道车辆中的应用，为中国高铁走向世界再加马力。　　

节能、新能源汽车与碳纤维

电动汽车、燃料电池汽车的发展在中国制造2025战略路线中将继续得到支持，战略要求其以更完整的工业体系和创新体系，推动自主品牌节能与新能源汽车同国际先进水平接轨。

新能源汽车在继承传统汽车对碳纤维积极应用的基础上，必须有更大的应用力度，因为其在降低自重、解决能耗、减少充电频率、延长电池使用寿命方面有更强的需求，特别是在减少污染和能耗方面，这也是新能源车区别于传统汽车的价值与意义所在。在此情况下，政府制定的车辆燃料经济性严格标准和二氧化碳排放法规促使新能源汽车必须选择碳纤维复合材料。电动汽车的重量比传统汽车要超过200-300 kg，为保证电动汽车有较好的续驶里程及可承受成本，电动汽车的车身重量必须减重50%以上。在所有轻量化材料中，碳纤维复合材料是唯一能替代钢质零部件，减重达50-60%，并提供同等强度的先进材料。

除了外观覆盖件之外，转向架、车厢、内饰、设备仓、摩擦材料、电池盒等等都属于碳纤维复合材料的应用范围。在无锡威盛新材料科技有限公司为新能源汽车提供的碳纤维结构件中，碳纤维吸能盒、防撞梁和电池盒体都是比较典型的应用，例如一个容积约为35L，壁厚2mm的碳纤维电池箱体，重量仅为2.7kg，与传统钢结构材料制作的电池箱体相比大约能减重80％，强度和荷载力比传统钣金件表现更佳。一款盒体净重仅为463克的碳纤维复合材料低速吸能盒，整个构件重量比原金属材料降低60％-80％，面对冲击时的能量吸收率却非常高，甚至比钢、铝等材料要高出4倍以上，碳纤维复合材料的高强度特性使其抵抗和传递撞击载荷的能力很强，因此非常适合用于汽车容易发生撞击的部位。

电力装备与碳纤维

根据中国制造2025的通知精神，新能源和可再生能源装备、先进储能装置、智能电网用输变电及用户端设备发展将得到大力推进。

在可再生能源装备方面，碳纤维应用较广的形式是作为风力发电桨叶使用，其强度高、重量轻，是风力发电理想的材料。由江苏连云港中复连众复合材料集团有限公司自主研发的、国内首支68米长6兆瓦风机叶片日前装运出海至欧洲。

在先进储能装置方面，飞轮储能是一种新型绿色储能技术，其将电能转换为高转速的飞轮，在需要的时候，再通过发电机转换为需要的电能，不需要时飞轮仍做高速运转，在使用和维护过程中不会产生任何化学材料垃圾。可以无数次充放电，使用寿命十分长。质量轻、强度高的碳纤维材料对储能飞轮的意义重大，目前国内外对碳纤维储能飞轮的开发和利用较多。

在智能电网用输变电及用户端设备方面，国家电网正在向全国推广应用的一款变电站巡检机器人智能化工作效果显著。该款机器人采用的是自主充电的方式，充满一次可运行5-6小时，每充一次电至少要对设备进行两轮全面巡检，每轮巡视至少要2个小时，因此，机器人的所蓄电能应尽量用于检测运行。为保证机器人能耐受更长时间的高强度工作，该款巡检机器人采用了无锡威盛新材料科技有限公司生产的可伸缩式碳纤维套管机械臂，该机械臂由从宽到窄7个不同型号的臂管组成，壁厚从0.5mm到2mm不等，总重量仅有3KG，大幅度降低了机器人巡检时的耗能，从而延长了工作时间，提高了工作效率。另外，碳纤维材料具有良好的抗腐蚀和耐疲劳性，在较大的温差下也能保持极小的蠕变性，因此该款巡检机器人完全可以适用于高海拔、酷热、极寒、大风、沙尘、多雨等恶劣环境下的配电站。

农机装备与碳纤维

中国制造2025战略要求重点发展大宗粮食和战略性经济作物育、耕、种、管、收、运、贮等主要生产过程中使用的先进农机装备，加快发展高端农业装备及关键核心零部件，提高农机装备信息收集、智能决策和精准作业能力。

作为农业大国，如何集中有效地检测农作物生长情况以及喷洒农药是高端农业装备正积极解决的问题之一，具有节约农药使用量、作业精度高，防治效果好的农用植保机能通过远距离遥控操作的方式，帮助喷洒作业人员避免直接接触农药，提高了喷洒作业安全性，并以更精准的方式在很大程度上降低资源成本。用于农业监测的无人机能及时、准确地掌握农作物生长情况，为农业措施提供可靠信息。

碳纤维桨片、碳纤维机壳、碳纤维壁管等碳纤维复合材料成为无人植保机制造的主流材料。比重仅为钢四分之一的碳纤维材料，柔韧性好、比强度高，抗拉强度却是普通钢材的10倍以上，具有优异的抗蠕变和抗震性，同时具有良好的耐久性和耐腐蚀性，对耐酸、碱、盐及大气环境的腐蚀都有一定的承受性，可以有效延长无人机的使用寿命。　　

高性能医疗器械与碳纤维

作为国计民生的关注焦点，医疗器械产业成为中国制造2025战略要点之一。其强调，必须提高医疗器械的创新能力和产业化水平，重点发展影像设备、医用机器人等高性能诊疗设备和医疗产品。

随着世界范围内肿瘤病患者的日益增多，放射性医疗设备的需求量迅速上升，放射性诊断及治疗设备随着技术发展已逐渐向放射剂量小及成像分析数字化的方向靠拢，在放射性医疗设备及辅助器械的使用上，要求相关配件对X射线透过性能好，在满足使用的前提下，尽可能地降低放射性物质对患者以及医护人员的危害，与此同时，这些配件的强度以及耐用性还要满足设备使用的高频度要求，在质量、卫生性、可靠性和精度方面都需符合高标准医用设备的标准参数。碳纤维复合材料具有满足以上各项要求的优异性能，因此，碳纤维放射性头托、床面板、放疗定位架、乳腺机支撑板、DR平板探测器等碳纤维医疗器械和诊疗设备在临床中得到了越来越多的应用。

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