山东国碳复材科技有限公司
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碳纤维复合材料（CFRP）管材在9大领域的应用及展望

发表时间：2023-02-06 11:35
1. 前言


碳纤维复合材料管材是目前应用范围最广、数量最多的碳纤维基础制品之一，也是碳纤维复合材料重要的应用形式。同其它的应用类似，碳纤维管材也是凭借碳纤维“轻而强”的性能优势成为诸多领域所青睐的轻量化材料。碳纤维管可分为碳纤维圆钢管、碳纤维方管、碳纤维弯头、碳纤维矩形方管等，根据不同用途，可采用不同的成型工艺成型制造。

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图1 适用于不同用途的CFRP管材


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图2 可加工不同断面形状的CFRP管材


除了直管以外，采用CFRP弯曲技术可加工不同管型的管材。

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图3 CFRP弯管


2. 碳纤维复合材料（CFRP）管材在不同领域的应用

碳纤维（CF）具有元素碳的各种优良性能，如比重小、耐热性极好、热膨胀系数小、导热系数大、耐腐蚀性和导电性良好等。同时，它又具有纤维般的柔曲性，可进行编织加工和缠绕成型。碳纤维最优良的性能是比强度和比模量超过一般的增强纤维，它和树脂形成的复合材料的比强度和比模量比钢和铝合金还高3倍左右。碳纤维复合材料制造的管材在多个领域都有应用，能够显著减轻重量，提高有效载荷，改善性能，是航天工业的重要结构材料。本文以碳纤维管状零部件为例，介绍碳纤维复合材料管材在各领域的一些常见应用。

2.1 碳纤维复合材料机械臂

工业机器人、医疗机器人、物流装载机器人等的工作主要靠机械臂来完成，机器人的机械臂是机器人执行操作任务的主要部件之一，其主要功能是在与环境进行交互的过程中，能够准确接受指令，并精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行规范性作业。机械臂的性能高低决定了机器人的应用价值。CFRP重量轻、强度大、耐腐蚀性能好，尤其是在温差较大环境中，材料的蠕变小，应用于机械臂中有助于提升机器人的操作精度和工作效率，延长机械臂的使用寿命，可广泛应用于电网巡检机器人、隧道勘测机器人、外科手术机器人等多个领域。

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图4 工业机器人的机械臂（CFRP材料）


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图5 CFRP机械臂零部件


现在，越来越多的新型机械臂开始采用碳纤维复合材料，主要因为其具备以下几个优势：

  • 优势1：自重轻、能耗低、生产效率高

机械臂的自重要尽量轻,机械臂越轻，其运动惯量越小。通过轻量化设计可以使机械臂的功率自重比达到最优化，选择轻量化的制作材料也是机械臂实现轻量化的重要途径。碳纤维复合材料的密度仅是钢材的三分之一，比铝合金也要轻30%左右，意味着机械臂运转过程中需要消耗的能量更少，运行更为轻便快捷。哪怕是能耗比只降低一点点，或者生产效率提升一点点，这在长周期和批量化工作中带来的效果都是巨大的。



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图6 产业机械CFRP机械臂


  • 优势2：强度大、承载多、功能多样化

机械臂在实现轻自重的同时，更要保证自身具备足够的负载能力。机械手臂要承受的基本重量包括手臂本身的重量加上其抓取工件的最大重量，碳纤维复合材料的比强度和比模量都比钢高，其抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，这种高承载性能赋予了机器人向多元化功能方向发展的可能性。



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图7 CFRP机械臂


  • 优势3：蠕变小、精度高、适应能力强

碳纤维复合材料热膨胀系数微乎其微，蠕变小，能够适应温差较大的工作环境。不仅通过降低自重，减少能耗，成倍地延长了工作周期，而且其在严寒、高温等恶劣气候环境下工作性能稳定，能够精确、快速地完成指令，这也是许多特定工作环境下机器人设计优选碳纤维复合材料的重要原因。

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图8 CFRP机械臂用管材


  • 优势4：耐疲劳、寿命长、使用成本低

碳纤维复合材料具有良好的耐疲劳性，采用这种先进复合材料制作的零部件使用寿命长，用于维护或者更新的频率低。要充分发挥出碳纤维复合材料的耐疲劳性能，应从最基本的设计制作出发，因为碳纤维复合材料机械臂的实际耐疲劳性往往受制于复合材料铺层方向与载荷方向的角度设计。因此，在采用碳纤维复合材料制作机械臂时，需要针对机械臂所承受的载荷与实际工况设计专门的制作方案。

2.2 碳纤维复合材料机械辊轴

采用碳纤维管作为辊身的碳纤维辊轴，可广泛应用于印刷、造纸、塑料、薄膜、纺织、钾电池极片卷绕机等行业。高精度碳纤维管制成的辊轴相比于铝合金材料的轴类产品，性能优势非常突出。碳纤维辊轴因为更轻的材质能减小惯性，使机器启动和停止的速度加快，辊轴的转速的提高，对于提升生产效率及产品品质有着很好的作用。

采用碳纤维复合材料辊替代传统的金属辊，能够大幅度提升机械设备的运转速度，有效降低长期能耗。这类碳纤维辊制作工艺成熟，性能稳定，应用成本相对较低。

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图9 CFRP机械辊轴


传统上，辊轴由金属（钢或铝）或塑料制成。它们的设计将取决于确定尺寸或直径以及构造材料的应用程序。碳纤维由于其固有的轻质性和材料强度，现在成为一种有吸引力的选择。碳纤维辊轴可由碳纤维管制成，其刚度可与铝或钢相媲美，具体取决于应用。碳纤维辊轴的重量仅为铝的一半，重量为钢的1/5，可以解决与金属辊轴相关的许多问题，包括惯性和弯曲问题。



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图10 不同尺寸的CFRP机械辊轴


2.3 碳纤维复合材料无人机机臂

碳纤维复合材料管在强度方面表现出色，根据实际需要能适用于无人机不同的机体部位，机臂、机翼骨架，相对于铝合金30%的减重效果能提高飞机的续航能力，并提高载荷力。碳纤维材料本身的抗拉强度高、耐腐蚀、吸能抗震、化学性能稳定等优点也使得人机的使用寿命得到有效保证。大部分农用植保无机及消费级航拍无人机均采用碳纤维管作为主体结构，碳纤维管在该领域的应用地位堂稳固。

无人机的自重直接影响到飞行时长和实际载荷，碳纤维复合材料无人机部件如机壳、机臂等部件应用比例越大，轻量化效果越明显。减少的重量空间可以用来搭载更多的燃料电池和辅助功能设备，为无人机赢得更多的竞争空间。在碳纤维零部件制作中可以实现机壳与机臂的一体化，减少装配部件的同时增加了机体的结构强度。

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图11 无人机机体、机臂


随着科技的进步以及人们生活水平的提高，无人机逐渐得到普及，在表演、航拍、侦测、警用、勘探、物流、救灾中我们经常可以看到它的身影。在一些恶劣的环境中，对于无人机的性能要求是很高的，例如，无人机的机翼需要耐候性好、增韧强度高、易加工成型的材料，机身往往会采用高韧性、高强度、低温耐候性好、高流动性的材料，起落架的材料需要有高强度、高刚性等。

与传统的金属材料相比，复合材料因其轻量化、强度高、抗冲击、抗腐蚀等特性逐步成为无人机的首选，碳纤维增强树脂基复合材料更是无人机材料的“新宠”。无人机的轻质化机体材料能够为电池等动力能源提供更多的设计空间，在动力相同的情况下，实现更长的续航能力。

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图12 用于农田喷洒农药和光伏板清洗的无人机


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图13 用于灾害救援的无人机


其次是一体化成型，碳纤维复合材料可以采用模压、热压罐固化等成型方式制作无人机机壳等零部件，通过有效的设计实现机体的大面积一次性成型，减少能够减少连接件和紧固件的使用，避免二次连接，在减轻机体重量的同时，保证了无人机整体结构的稳定性，提高性能优势，提高生产效率，实现碳纤维无人机机壳等部件的批量化生产。

最后是碳纤维复合材料的蠕变小、耐腐蚀性强特点，碳纤维复合材料的耐疲劳性能好，即便经历多次循环载荷也很少会出现裂纹等现象，能够耐受较大温差变化而不易变形，遇到非强酸强碱类腐蚀，几乎不会发生明显变化，使用安全性高，寿命长。

2.4 碳纤维复合材料支架体

摄像机、测绘仪器等一些需要随时随地方便支撑的设备需要的是稳固、轻便的支架体，碳纤维复合材料管是制造这种支架体的理想材料。

奥迪R8发动机支架采用的碳纤维复合材料，用于支撑R8的V10发动机，它为增强驱动动力而提供了扭转刚度。奥迪的目标时生产现有铝部件的一种更轻质的复合材料版本，使其拥有更美观的造型。

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图14 现有的铝制奥迪R发动机支架


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图15 改良后使用的CFRP支架


这种复合材料的支架比相应的铝部件减轻了15%的重量，而纤维随机分布的预浸料切片则创造了一个更有吸引力的表面。

2.5 碳纤维复合材料管应用于热敏感领域

在一些热敏感领域，温度的变化将会对测量精度产生一定的影响，如需要在温差较大环境下工作的量具。而在更高端的航天仪器方面这种情况更多，如航天遥感器所处的环境条件比较复杂，较大的温度差异会使光阑间隔及镜筒筒身精度发生变化，这将大大影响到光学遥感器的成像质量。

由于碳纤维复合材料具有较好的尺寸稳定性，线膨胀系数几近“0”。在一些热敏感领域，温度的变化将会对测量精度产生一定的影响，如需要在温差较大环境下工作的量具。而在更高端的航天仪器方面这种情况更多，如航天遥感器所处的环境条件比较复杂，较大的温度差异会使光阑间隔及镜筒筒身精度发生变化，这将大大影响到光学遥感器的成像质量。

因此在热敏感领域中，越来越多地使用到碳纤维管，碳纤管的使用首先可以从根本上降低仪器自身的重量，降低使用的成本，碳纤维材料的性能优势也有助于提升科研设备的先进性。

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图16 热敏仪器及设备


2.6 碳纤维复合材料汽车检具

用钢材制成的汽车检具，重量重，可操作性不佳，易用性及人机工程都无法满足日常生产；铝材的重量有所减轻，但强度也降低了，在频繁使用过程中，检具使用寿命也得不到保障，而使用碳纤维复合材料制成的检具则能满足实际使用要求，大大提高工作效率。管状碳纤维部件是制造这类检具的重要组成部分，传统金属检具的精度会在一定使用周期内有所下降，但是碳纤维检具的精度表现稳定，其变形量远低于同类型的铝制检具。新材料采用胶结技术替代传统金属的焊接技术，很大程度上避免了由焊接带来的变形和应力缺陷，可以进一步提升检具精度的稳定性。

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图17 CFRP车辆检具


2.7 碳纤维复合材料套筒电机

特斯拉Model S Plaid的三台高转电机采用了首创的碳纤维套筒转子，电机最高转速可达2万转。电机转速越高，车辆的行驶速度就可以越快。但是转子的速度太快，可能会导致电动机的损毁。所以以往的电动车会给人高速之后后劲不够的感觉。

针对这一难点，特斯拉在转子外层加入了一个碳纤维套，构成了碳纤维套筒电机。碳纤维的作用有两个，一是能有效减少转子温度，转子温度很大一部分来自定子，碳纤维能有效减少热传导，可以减少磁钢退磁风险的同时减少高转速下的离心变形；第二个，增加转子磁通量，在同等输入电流下，电机转速增加、做功变大、效率提高。

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图18 世界首创特斯拉碳纤维套筒转子


2.8 军工领域

碳纤维具有质轻，高强度，高模量，耐腐蚀，耐疲劳，耐高温，导热，散热性好和热膨胀系数小等特点，碳纤维及其复合材料被广泛应用于火箭，导弹，军用飞机，个体防护等军工领域，且用量与日俱增，使军事装备性能得到不断提高。碳纤维及其复合材料已成为发展现代国防军工武器装备的重要战略物资。在军用火箭和导弹方面，碳纤维复合材料优异性能也得到了较好的应用与发展，如“飞马座”、“德尔塔”运载火箭、“三叉戟”Ⅱ（D5）、“侏儒”导弹等均采用碳纤维复合材料；而美国的战略导弹 MX 洲际导弹，俄罗斯战略导弹“白杨” M 导弹也采用先进复合材料发射筒。

一家奥地利公司推出了一款名为VOERE S16的栓动步枪，空枪重量仅仅只有2KG（如图18）。其具备碳纤维强化复合材料枪管，这是该枪的推出是的主打卖点，也是此枪仅重2KG的重要原因。



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图19 CFRP枪管


瑞典萨博公司推出了M4新型反坦克火箭（如图19），M4重6.7KG，较卡尔·古斯塔夫M3轻约3KG，外壳采用碳纤维复合材料(减重0.8KG)，通过重新设计文丘里管使火箭炮减重0.9千克，M4的总长度减到了1米以内。



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图20 新型反坦克火箭外壳采用碳纤维缠绕工艺


2.9 体育休闲等运动器材

在体育休闲用品领域，碳纤维高尔夫球杆和钓鱼竿最早获得应用，其也是推动碳纤维发展的最早消费渠道之一。早在十几年前，仅用于高尔夫球杆上的碳纤维消耗就占全世界总碳纤维消耗量的十分之一。近年来，自行车、网球拍、羽毛球拍等体育用品也越来越多地使用到碳纤维材料。

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图21 碳纤维高尔夫球杆


采用碳纤管制成的超轻型高尔夫球杆重量仅有50g左右，而钢制杆身有120g以上，在减轻重量的同时，碳纤维材质使得球杆具备更好的弹性和韧性，球杆在运动中给使用者带来的震感更小，平衡感和手感舒适程度更高。又如摄影摄像设备中使用碳纤维管制作的滑轨，外形美观,使用方便，尤其是其重量轻、承重大的特点，非常适合外拍携带,为户外摄影工作者所喜爱。

这类用品中的碳纤管能有效提升使用者的体验度，更轻的质量能减轻使用者的体力消耗，增加运动休闲的愉悦性，更强的材质还能减少器材弯曲变形的可能性，延长产品的使用寿命。由于碳纤维在体育休闲领域中的应用技术相对成熟，因此碳纤维在该领域的需求量呈稳定增长态势。

3. 结束语

尽管目前的碳纤管价格行情在一定程度上制约了其在更多方位上的运用，可是，随着加工工艺化水平的不断提高和批量化生产模式的不断推广，这一瓶颈将被逐渐打破。从市场发展需求来看，碳纤维复合材料管的发展趋势将向功能特殊化、射击组合化的方向发展。


总而言之，产品的基础性决定了市场需求量，碳纤维管的发展方向不可小觑，在取代金属材料管材的轻量过程中终将饰演越来越重要的较色。

参考文献

  • 方鲲，先进军工复合材料在国内外军事装备上的应用，2020
  • 全球及中国碳纤维管行业研究及十四五规划分析报告，2022


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