从国家能源战略看碳纤维及复合材料的应用 复材云集｜复合材料

  俄乌战争从2月份到现在快5个月了，而从最初的全球关注，到现在慢慢的开始新闻疲劳。现在新闻也很少直接报道战争双方的情况，即使有报道，更多讲的是因为俄乌战争影响了欧洲的天然气、石油供应等，有可能造成欧洲乃至世界能源危机。这几天欧洲重启煤电厂、德国因为能源短缺修改碳中和时间表的新闻满天飞...而这，从侧面也能够准确的看出能源在国家及国际关系中的战略地位。

  早在2016年发改委就提出了能源技术革命创新行动计划（2016-2030年），可见能源的重要性：

  我们碳纤维及复合材料是国家定义的战略关键材料，既然是战略关键材料，那么在能源领域怎么能没有体现呢？我们来说道说道，先从传统能源到新能源，再看看能源应用的方式，都有那些地方用到碳纤维复合材料。

  石油天然气是目前全世界能源结构中主要组成部分，石油天然气不仅运输、使用起来更便捷，而且二次加工产品是化工、材料工业的基础。

  小时候读铁人王进喜，看到插图上一溜的磕头机，再看相关的影视，不停的磕着头，感觉很好奇，后来才知道正是这个磕头机，把地底下的石油抽上来。

  在油气开采业中，抽油杆是采油系统的主要部件，传统的钢制抽油杆在柔韧性和抗腐蚀性方面存在不足，在开采“三高井”或超深井时损耗较大，相比之下，碳纤维材料抽油杆由于其出色的力学性能和机械强度，在油气开采业正在得到普遍的应用。 抽油杆应用环境比较恶劣，要接触到原油，而原油中含有水分，酸碱物质以及含硫化合物，对金属腐蚀非常严重。而且金属比较重，想想，现在的油井都几千米深，要是金属做的抽油杆，这么长得有多重啊。

  为了克服普通钢制抽油杆质量大，耗能高，失效频繁，活塞效应大，起下作业速度慢，易磨损的缺点，美国利用独特的航空航天设计和材料技术，经过10多年的努力，研制成功碳纤维复合材料连续抽油杆，专用的油井作业设备并进行了矿场试验。1991～1995年间美国在33口抽油井进行了矿场实验，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年半的矿场试验作业45井次，平均检泵周期达到1204天。从验证结果来看，碳纤维抽油杆效果良好。

  目前，碳纤维抽油杆已经在国内很多油田得到普遍应用，中国石油集团大港油田、中国石化集团胜利油田等油田都开展了碳纤维抽油杆技术推广。2015年，由中国石油集团钻井工程技术研究院江汉机械研究所研制开发的碳纤维连续抽油杆作业机在新疆油田完成首次下井试验。试验在位于新疆油田采油二厂五区553 井区的克503井进行，该井深2068 m，设计使用碳纤维连续抽油杆1080m，泵挂深度1799.47m，下入抽油泵后反复循环抽水作为模拟抽油试验。试验的成功有望解决深井、超深井和腐蚀井的开采难题，对于降低抽油井能耗和提高抽油效率具有重大意义。

  碳纤维及复合材料在石油天然气管道中利用有两种，一种是直接生产复合材料管道，一种是用于管道修复。

  石油天然气工业中用的管道，有输送管和采油管，依据使用场合不一样，要求也不一样。

  为了降低生命周期成本和提高耐腐蚀性，位于沙特阿拉伯达兰的全球能源公司阿美石油公司在其管网中部署了约10000公里的非金属管道，用于水、石油和天然气应用。2018年，阿美石油公司首次在含高芳烃含量 (~50%) 的高酸原油作业中部署了碳纤维增强复合材料管道作为鹅颈式陆上井口立管。与碳钢相比，TCP立管具有更加好的灵活性，以及更高的抗疲劳性和隔热性。目前，2in常规连续管QT-1000的破裂压力仅为140MPa，不能够满足超高压水射流钻井技术的需要。而商业应用的碳纤维复合管破裂压力能达到207MPa，满足超高压水射流作业要求，如图1所示。内压为83MPa的条件下，2inQT-1000 连续管起下钻16次后即失效，QUALITY TUBING公司的Incoloy-625连续管的疲劳寿命为70次，而FIBERSPAR SPOOLABLE PRODUCTS 公司的碳纤维复合连续管的疲劳寿命超过2000次。

  当然在石油天然气工业中用的最多还是金属管道，但在管道运行过程中难免会产生腐蚀、损坏，这是就需要修、补等。而不立即处理或处理不当，就非常有可能造成极为恶劣的后果。碳纤维复合材料修复强是利用纤维材料的高强度 , 结合粘结树脂在服役的腐蚀或受损管道外包覆一个复合材料修复管道层 , 来恢复含缺陷管道的服役强度，在不影响生产的情况下对受损管体进行强度修复，具有免焊不动火、不停输、在线、快速修复、操作安全、实施工程人员少、无须大型设备、费用低等优点，适用于各种缺陷，是管道补强修复的主流方向。不仅如此，复合材料类型的补强还可用于无缺陷管道的提压增强。由于这类补强方式不用在服役管道上进行焊接，避免了焊穿和发生氢脆、冷脆的风险性。

  对于深海油田，将平台锚固到海底用的缆绳（tether）和连接油井口到平台的管材（riser）是重要组成部分。如果用钢材制造，质量重，需用大平台的漂浮尺寸，必将增大投资。如用CFRP制造，自身减质量效果及减质量波及效果十分显著。

  同时 海洋中环境复杂多变，复杂的海水含盐量很高，对设备设施具有极强的腐蚀性，很多设备设施都是以钢材料为主，这就无形中增加了开采成本，同时也加大了作业风险。碳纤维材料的低密度、高性能、高强度能够有效缓解钢制材料在深海环境所承受的重量和压力载荷。在深海油田所使用的平台脐带缆、锚固缆绳和油井口连接到平台的管材（立管）都可以用碳纤维材料部分代替，这样子就能够大大降低平台的重量以及所承受的压力，节约成本。

  而且碳纤维在海上石油平台的结构和功能部分如夹板、支架护手、储罐、浮力组件、升降机等都可以用到，发挥独特的作用。

  如一个深海1500 m的作业平台，用钢制缆绳约为6 500 t，用CFRP缆绳仅为1000t。同时，前者最大深度只能到1500 m左右，而后者可用到3000 m的深海油田；在墨西哥湾的1200 m深海油田用的升降机，升降管采用CF/GFRP混杂复合材料制造，质量轻，与钢管相比质量减轻45 kg/m，1200 m可减质量54t，减重效果十分显著。

  核电作为清洁能源，虽然在全部电力装机容量中的占比还是比较小的，但是近几年国内的核电装机容量一直呈大幅度增长态势。而在核工业中要用到铀235在自然界中含量很低，为了把铀235从238中分离出来，就要用到专用的离心机。铀与氟发生反应将其转化为气体——产生的，放入离心机，在旋转过程中，离心力会导致较重的粒子尽可能远离中心收集，较轻的粒子更靠近内部。在这种情况下，较重的铀238同位素被向外抛出，使较轻的铀235更靠近中间。因为质量差异很小，为了很好的分离，对离心机的转速要求很高，必须在数万转以上，而碳纤维的高强、高模、低密度等优点，正好可以制造离心机的转子。美国的赫克塞尔Hexcel和日本的东邦TohoTenax都在为核燃料生产工厂提供这类专用的碳纤维缠绕复合材料。

  此外，核反应堆中的高温过滤介质、高温气体冷却内炉的结构材料、等离子体变换器的栅极和集电极等，都可能用到碳纤维。

  煤炭是一种非常传统又便宜的能源，在我国能源中仍然占有重要的比例。目前碳纤维的价格较高，煤炭工业中使用较少，但有研究报道碳纤维在煤矿坑道加固、矿山机械设备、煤炭输送带等中的应用研究报道。

  风电的100多年发展非常迅速，不仅形状，结构等变化很大，材料的变化也很大。从最初的木制叶片及布蒙皮叶片开始，经历了钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片、玻璃钢叶片、玻璃钢复合材料叶片，目前已经采用高强轻质的碳纤维增强复合材料。玻璃钢复合材料叶片强度高、重量轻、耐老化，因此在大、中型风力机叶片中被广泛采用。玻璃钢叶片的性能还能够最终靠表面改性、上浆和涂覆加以改进。但随着风机的功率的增加，叶片长度的不断增大，自身重量也持续不断的增加，在很多场合已不能够满足要求。在这种情况下，具备高强高模、低密度的碳纤维复合材料，成为了人们的重点考虑的对象。技术人员尝试在叶片多个部位应用碳纤维复合材料。随着叶片长度的增加，刚度是一个十分重要的指标，为了加强叶片刚度同时减轻叶片的重量，在大型和超大型风力机叶片中的局部高应力区域，碳纤维增强复合材料逐渐被采用，并被用于制作叶片的梁。叶片的大梁相当于人的脊梁骨，长长的叶片就是靠大梁支撑起来！

  维斯塔斯首先开发利用碳纤维拉挤板材制备叶片大梁，该公司开发成功后，开始大规模推广。该工艺利用利用制作好的碳纤维拉挤板材，在特定的工装辅助下，进行铺叠就可以了，简化了工艺，缩短了时间，极大的推进了碳纤维在风电上的应用。

  随着海上风电的发展，需要更长叶片、更大功率的风机，对碳纤维的需求也就更高，而海上风电的特殊性，使碳纤维在海上风电中应用的潜在机会更多。

  碳纤维在光伏中应用在这几年异军突起， 这得益于光伏领域对大尺寸热场的要求。传统的石墨材料不足以满足大尺寸坩埚的强度要求，碳碳复合材料成了主流。

  碳-碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。具有低密度(2.0g/cm3)、高强度、高比模量、高导热性、低线胀系数、摩擦性能好，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，是如今在1650℃以上应用的少数备选材料，最高理论温度更高达2600℃，因此被认为是最有发展前途的高温材料之一。光伏产业中所使用的碳碳复合材料主要是用来制造坩埚，作为熔炼多晶硅或单晶硅的器皿，在氢化炉热场、直拉单晶热场、多晶铸锭炉热场、太阳能电池镀膜等工艺作为关键设备。以往此类坩埚主要利用高纯石墨制造，但高纯石墨为国外控制，而且随着拉硅单晶炉和多晶铸锭炉生产设备的大型化，石墨材料难以满足。碳碳复合材料具有可设计性和良好的热物理性能,和石墨热场材料相比,有很大的优势。

  光伏电池生产的全部过程中，丝网印刷的效果将直接影响电池的转换效率，印刷核心是印刷后银浆的纵横比。因此对屏幕，银浆和刮刀的要求慢慢的升高。目前，闸线的要求越来越精细，从最初的60um进入目前的30um，甚至更细;而碳纤维刮刀的轻量化作用，能做到更精细。

  上图是碳纤维辊，能够适用于光伏膜的生产、分切中。传统的金属辊筒，自身重量大，机器启动速度慢，惯性大，不仅耗能多、原料损耗大，对生产效率也产生一定的影响。而碳纤维辊具备轻量化、不易磨损、压力均匀、易调节、高精度等优点。

  氢能利用氢和氧反应生成水同时产生能量，因此是一种清洁能源。但氢能本质上是一种二级能源，但氢能的成本比较高。氢能如果和风电、光伏互补，倒是一个不错的选择。目前氢能在汽车特别是在重卡上发展较快。

  氢能源电动车日本发展较快，以首个投放市场的量产燃料电池车—丰田Mira为例：

  因月球引力的变化引起潮汐现象，潮汐导致海水平面周期性地升降，因海水涨落及潮水流动所产生的能量称为潮汐能。海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮的过程中，汹涌而来的海水具有很大的动能，而随着海水水位的升高，就把海水的巨大动能转化为势能；在落潮的过程中，海水奔腾而去，水位逐渐降低，势能又转化为动能。潮汐能是一种可再次生产的能源想，而且潮汐的规律性很强，可以为人类所利用。

  近期， Schottel Hydro（德国）与爱尔兰国立高威大学（NUI Galway）的 MaREI 中心联手，准备在Sustainable Marine（加拿大新斯科舍省）建立一个新型漂浮式潮汐能系统，其新型碳纤维潮汐发电机已证明它们能生存在该现场条件下工作长达二十年。

  据报道，Sustainable Marine 的新型漂浮式潮汐能系统使用一个共同的传动系统和两种不同的叶片直径，分别为 6.3 米和 4 米，以满足多种资源地点的要求。据该公司称，发电机设计包括一个由碳纤维制成的固定螺距叶片，以在过载条件下实现弯曲和螺距。据称是世界上第一个浮动潮汐能阵列。

  据Orbital称，该2兆瓦的潮汐涡轮机将具有四个10米的复合材料叶片，并且有望成为迄今为止功能最强大的潮汐涡轮机，能够为1,700多个英国家庭供电。

  Kepler Energy研究团队近来提出一个在布里斯托尔海峡建立一个30MW潮汐能栅栏的计划，以此将源源不断的潮汐能最大效率的利用起来。栅栏主体由碳纤维构成，利用简单的桁架设计确保最小的移动部件暴露于潮汐流来获取其中的能量，并且使用可适用于恶劣环境的轴向涡轮机。

  飞轮储能，简单来说就是先利用电能驱动飞轮非常快速地旋转，将电能转化为飞轮中的动能储存起来。然后再在需要的时候释放飞轮，利用飞轮的惯性拖动电机发电，将储存起来的动能再转化为电能输出。20世纪60—70年代，飞轮储能最先在美国卫星的蓄能电池上得到了应用，此后主要使用在于航空航天和军事领域。近年来，飞轮储能技术逐步民用化，开始在电力、交通领域中有所应用。2019年GTR飞轮储能装置昨天在北京地铁房山线广阳城站正式实现商用，飞轮储能装置能将列车进站刹车时所产生的电能转化为动能储存，当列车再次启动，飞轮储能再将动能转化为电能输出，实现再生制动能量的回收和利用，进而达到节能的目的。据介绍，在飞轮储能系统投入到正常的使用中后，该车站一年可节省约50万度电。

  近年来，飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述3项技术的快速的提升：一是高能永磁及高温超导技术的出现；二是碳纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的快速的提升。由于在实际在做的工作中，飞轮的转速可达40000～500000r/min，一般金属制成的飞轮没办法承受这样高的转速，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，既轻又强，进一步减少了总系统的重量，同时，为减少充放电过程中的能量损耗（主要是摩擦力损耗），电机和飞轮都使用磁轴承，使其悬浮，以减少机械摩擦；同时将飞轮和电机放置在真空容器中，以减少空气摩擦。这样飞轮电池的净效率（输入输出）能够达到95%左右。

  碳纤维复合材料能在很大程度地地减轻轮体重量，尤其是高强高模碳纤维材料可以在保证轮子具有高抗拉强度的同时，又可保持尺寸稳定及高抗形变，进而实现经常使用不变形。但碳纤维飞轮的制造与碳纤维复合材料的成型技术紧密关联，只要对飞轮的结构可以进行适当优化，使现有的碳纤维复合材料生产能满足其技术需求，那么使用碳纤维复合材料必将成为飞轮储能应用发展最强劲的推动力之一。

  近期特斯拉发布2022款Model S Plaid，加速时间为1.99秒。将0～60英里（约为97公里）的加速时间拉到2秒以下，电动车在加速度方面的优势被特斯拉放大至燃油车无法超越的地步。决定电动车极速的关键要素之一就是电机的转速，电动机能够达到的转速越高，车辆的行驶速度也就越高。特斯拉的方案就是采取了碳纤维转子的方案。

  锂离子电池组的重量是电动汽车技术的主要挑战之一。纯电动汽车要想有长续航，就需要更大的电池组。但是更大的电池组带来了更大的重量，更大的重量就会造成汽车耗电量的增加。所以如果一味地增大电池，那么对于纯电动汽车来说也是一个恶性循环，甚至适得其反。所以现在纯电动汽车都在找一个续航和重量之间的平衡。 但是如果有一种电池技术能集成到汽车的结构元件中，从而根本不增加汽车的重量，让整辆车身直接变身成一颗大电池。 这是不是一种革命性的技术呢？

  透过碳纤维的导电特性，能让未来电动车不再需要用沉甸甸的锂电池。 瑞典哥德堡查默斯理工大学和 KTH 皇家理工学院的科学家们做了相关的尝试。

  研究人员研究了不一样市售碳纤维的微观结构，发现微小且取向不良晶体的碳纤维拥有非常良好的电化学性能，但刚度太低，而具有较大而高取向晶体的碳纤维刚度高，但电化学性能又太低。为了进一步理解碳纤维微结构与锂离子插入机制和电化学容量间的关系，研究人员通过扫描电子显微镜（SEM） 、高分辨投射电子显微镜（HR-TEM）以及电化学方法对多种不一样的中、高模量聚丙烯腈基碳纤维的明显微观结构差异进行了详细表征，并通过每种碳纤维的原位共聚焦拉曼光谱对充放电期间锂离子的嵌入机理进行了研究。拉曼G带分析显示，高模量碳纤维中的锂离子嵌入机制与结晶石墨中的类似，其相比来说较低的电化学容量（约150mAh/g）是由于阻塞性乱层无序使分阶段结构的形成受挫。相反，具有更高电化学容量（约300mAh/g）的中等模量碳纤维的锂离子插入机制则更接近部分无序碳。因此，通过定制石墨序列和微晶尺寸可以改进多功能碳纤维的性能。

  碳纤维及复合材料的优越特性，是其在能源工业特别是新能源中已经发挥了重要的作用，未来必将发挥更重要的作用！（来源：严说一点）返回搜狐，查看更加多