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1. 前言

碳纖維復合材料管材是目前應用范圍最廣、數量最多的碳纖維基礎制品之一，也是碳纖維復合材料重要的應用形式。同其它的應用類似，碳纖維管材也是憑借碳纖維“輕而強”的性能優勢成為諸多領域所青睞的輕量化材料。碳纖維管可分為碳纖維圓鋼管、碳纖維方管、碳纖維彎頭、碳纖維矩形方管等，根據不同用途，可采用不同的成型工藝成型制造。

圖1 適用于不同用途的CFRP管材

圖2 可加工不同斷面形狀的CFRP管材

除了直管以外，采用CFRP彎曲技術可加工不同管型的管材。

圖3 CFRP彎管

2. 碳纖維復合材料（CFRP）管材在不同領域的應用

碳纖維（CF）具有元素碳的各種優良性能，如比重小、耐熱性極好、熱膨脹系數小、導熱系數大、耐腐蝕性和導電性良好等。同時，它又具有纖維般的柔曲性，可進行編織加工和纏繞成型。碳纖維最優良的性能是比強度和比模量超過一般的增強纖維，它和樹脂形成的復合材料的比強度和比模量比鋼和鋁合金還高3倍左右。碳纖維復合材料制造的管材在多個領域都有應用，能夠顯著減輕重量，提高有效載荷，改善性能，是航天工業的重要結構材料。本文以碳纖維管狀零部件為例，介紹碳纖維復合材料管材在各領域的一些常見應用。

2.1 碳纖維復合材料機械臂

工業機器人、醫療機器人、物流裝載機器人等的工作主要靠機械臂來完成，機器人的機械臂是機器人執行操作任務的主要部件之一，其主要功能是在與環境進行交互的過程中，能夠準確接受指令，并精確地定位到三維(或二維)空間上的某一點進行規范性作業。機械臂的性能高低決定了機器人的應用價值。CFRP重量輕、強度大、耐腐蝕性能好，尤其是在溫差較大環境中，材料的蠕變小，應用于機械臂中有助于提升機器人的操作精度和工作效率，延長機械臂的使用壽命，可廣泛應用于電網巡檢機器人、隧道勘測機器人、外科手術機器人等多個領域。

圖4 工業機器人的機械臂（CFRP材料）

圖5 CFRP機械臂零部件

現在，越來越多的新型機械臂開始采用碳纖維復合材料，主要因為其具備以下幾個優勢：

優勢1：自重輕、能耗低、生產效率高

機械臂的自重要盡量輕,機械臂越輕，其運動慣量越小。通過輕量化設計可以使機械臂的功率自重比達到最優化，選擇輕量化的制作材料也是機械臂實現輕量化的重要途徑。碳纖維復合材料的密度僅是鋼材的三分之一，比鋁合金也要輕30%左右，意味著機械臂運轉過程中需要消耗的能量更少，運行更為輕便快捷。哪怕是能耗比只降低一點點，或者生產效率提升一點點，這在長周期和批量化工作中帶來的效果都是巨大的。

圖6 產業機械CFRP機械臂

優勢2：強度大、承載多、功能多樣化

機械臂在實現輕自重的同時，更要保證自身具備足夠的負載能力。機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，碳纖維復合材料的比強度和比模量都比鋼高，其抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7-9倍，這種高承載性能賦予了機器人向多元化功能方向發展的可能性。

圖7 CFRP機械臂

優勢3：蠕變小、精度高、適應能力強

碳纖維復合材料熱膨脹系數微乎其微，蠕變小，能夠適應溫差較大的工作環境。不僅通過降低自重，減少能耗，成倍地延長了工作周期，而且其在嚴寒、高溫等惡劣氣候環境下工作性能穩定，能夠精確、快速地完成指令，這也是許多特定工作環境下機器人設計優選碳纖維復合材料的重要原因。

圖8 CFRP機械臂用管材

優勢4：耐疲勞、壽命長、使用成本低

碳纖維復合材料具有良好的耐疲勞性，采用這種先進復合材料制作的零部件使用壽命長，用于維護或者更新的頻率低。要充分發揮出碳纖維復合材料的耐疲勞性能，應從最基本的設計制作出發，因為碳纖維復合材料機械臂的實際耐疲勞性往往受制于復合材料鋪層方向與載荷方向的角度設計。因此，在采用碳纖維復合材料制作機械臂時，需要針對機械臂所承受的載荷與實際工況設計專門的制作方案。

2.2 碳纖維復合材料機械輥軸

采用碳纖維管作為輥身的碳纖維輥軸，可廣泛應用于印刷、造紙、塑料、薄膜、紡織、鉀電池極片卷繞機等行業。高精度碳纖維管制成的輥軸相比于鋁合金材料的軸類產品，性能優勢非常突出。碳纖維輥軸因為更輕的材質能減小慣性，使機器啟動和停止的速度加快，輥軸的轉速的提高，對于提升生產效率及產品品質有著很好的作用。

采用碳纖維復合材料輥替代傳統的金屬輥，能夠大幅度提升機械設備的運轉速度，有效降低長期能耗。這類碳纖維輥制作工藝成熟，性能穩定，應用成本相對較低。

圖9 CFRP機械輥軸

傳統上，輥軸由金屬（鋼或鋁）或塑料制成。它們的設計將取決于確定尺寸或直徑以及構造材料的應用程序。碳纖維由于其固有的輕質性和材料強度，現在成為一種有吸引力的選擇。碳纖維輥軸可由碳纖維管制成，其剛度可與鋁或鋼相媲美，具體取決于應用。碳纖維輥軸的重量僅為鋁的一半，重量為鋼的1/5，可以解決與金屬輥軸相關的許多問題，包括慣性和彎曲問題。

圖10 不同尺寸的CFRP機械輥軸

2.3 碳纖維復合材料無人機機臂

碳纖維復合材料管在強度方面表現出色，根據實際需要能適用于無人機不同的機體部位，機臂、機翼骨架，相對于鋁合金30%的減重效果能提高飛機的續航能力，并提高載荷力。碳纖維材料本身的抗拉強度高、耐腐蝕、吸能抗震、化學性能穩定等優點也使得人機的使用壽命得到有效保證。大部分農用植保無機及消費級航拍無人機均采用碳纖維管作為主體結構，碳纖維管在該領域的應用地位堂穩固。

無人機的自重直接影響到飛行時長和實際載荷，碳纖維復合材料無人機部件如機殼、機臂等部件應用比例越大，輕量化效果越明顯。減少的重量空間可以用來搭載更多的燃料電池和輔助功能設備，為無人機贏得更多的競爭空間。在碳纖維零部件制作中可以實現機殼與機臂的一體化，減少裝配部件的同時增加了機體的結構強度。

圖11 無人機機體、機臂

隨著科技的進步以及人們生活水平的提高，無人機逐漸得到普及，在表演、航拍、偵測、警用、勘探、物流、救災中我們經?？梢钥吹剿纳碛?。在一些惡劣的環境中，對于無人機的性能要求是很高的，例如，無人機的機翼需要耐候性好、增韌強度高、易加工成型的材料，機身往往會采用高韌性、高強度、低溫耐候性好、高流動性的材料，起落架的材料需要有高強度、高剛性等。

與傳統的金屬材料相比，復合材料因其輕量化、強度高、抗沖擊、抗腐蝕等特性逐步成為無人機的首選，碳纖維增強樹脂基復合材料更是無人機材料的“新寵”。無人機的輕質化機體材料能夠為電池等動力能源提供更多的設計空間，在動力相同的情況下，實現更長的續航能力。

圖12 用于農田噴灑農藥和光伏板清洗的無人機

圖13 用于災害救援的無人機

其次是一體化成型，碳纖維復合材料可以采用模壓、熱壓罐固化等成型方式制作無人機機殼等零部件，通過有效的設計實現機體的大面積一次性成型，減少能夠減少連接件和緊固件的使用，避免二次連接，在減輕機體重量的同時，保證了無人機整體結構的穩定性，提高性能優勢，提高生產效率，實現碳纖維無人機機殼等部件的批量化生產。

最后是碳纖維復合材料的蠕變小、耐腐蝕性強特點，碳纖維復合材料的耐疲勞性能好，即便經歷多次循環載荷也很少會出現裂紋等現象，能夠耐受較大溫差變化而不易變形，遇到非強酸強堿類腐蝕，幾乎不會發生明顯變化，使用安全性高，壽命長。

2.4 碳纖維復合材料支架體

攝像機、測繪儀器等一些需要隨時隨地方便支撐的設備需要的是穩固、輕便的支架體，碳纖維復合材料管是制造這種支架體的理想材料。

奧迪R8發動機支架采用的碳纖維復合材料，用于支撐R8的V10發動機，它為增強驅動動力而提供了扭轉剛度。奧迪的目標時生產現有鋁部件的一種更輕質的復合材料版本，使其擁有更美觀的造型。

圖14 現有的鋁制奧迪R發動機支架

圖15 改良后使用的CFRP支架

這種復合材料的支架比相應的鋁部件減輕了15%的重量，而纖維隨機分布的預浸料切片則創造了一個更有吸引力的表面。

2.5 碳纖維復合材料管應用于熱敏感領域

在一些熱敏感領域，溫度的變化將會對測量精度產生一定的影響，如需要在溫差較大環境下工作的量具。而在更高端的航天儀器方面這種情況更多，如航天遙感器所處的環境條件比較復雜，較大的溫度差異會使光闌間隔及鏡筒筒身精度發生變化，這將大大影響到光學遙感器的成像質量。

由于碳纖維復合材料具有較好的尺寸穩定性，線膨脹系數幾近“0”。在一些熱敏感領域，溫度的變化將會對測量精度產生一定的影響，如需要在溫差較大環境下工作的量具。而在更高端的航天儀器方面這種情況更多，如航天遙感器所處的環境條件比較復雜，較大的溫度差異會使光闌間隔及鏡筒筒身精度發生變化，這將大大影響到光學遙感器的成像質量。

因此在熱敏感領域中，越來越多地使用到碳纖維管，碳纖管的使用首先可以從根本上降低儀器自身的重量，降低使用的成本，碳纖維材料的性能優勢也有助于提升科研設備的先進性。

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圖16 熱敏儀器及設備

2.6 碳纖維復合材料汽車檢具

用鋼材制成的汽車檢具，重量重，可操作性不佳，易用性及人機工程都無法滿足日常生產；鋁材的重量有所減輕，但強度也降低了，在頻繁使用過程中，檢具使用壽命也得不到保障，而使用碳纖維復合材料制成的檢具則能滿足實際使用要求，大大提高工作效率。管狀碳纖維部件是制造這類檢具的重要組成部分，傳統金屬檢具的精度會在一定使用周期內有所下降，但是碳纖維檢具的精度表現穩定，其變形量遠低于同類型的鋁制檢具。新材料采用膠結技術替代傳統金屬的焊接技術，很大程度上避免了由焊接帶來的變形和應力缺陷，可以進一步提升檢具精度的穩定性。

圖17 CFRP車輛檢具

2.7 碳纖維復合材料套筒電機

特斯拉Model S Plaid的三臺高轉電機采用了首創的碳纖維套筒轉子，電機最高轉速可達2萬轉。電機轉速越高，車輛的行駛速度就可以越快。但是轉子的速度太快，可能會導致電動機的損毀。所以以往的電動車會給人高速之后后勁不夠的感覺。

針對這一難點，特斯拉在轉子外層加入了一個碳纖維套，構成了碳纖維套筒電機。碳纖維的作用有兩個，一是能有效減少轉子溫度，轉子溫度很大一部分來自定子，碳纖維能有效減少熱傳導，可以減少磁鋼退磁風險的同時減少高轉速下的離心變形；第二個，增加轉子磁通量，在同等輸入電流下，電機轉速增加、做功變大、效率提高。

圖18 世界首創特斯拉碳纖維套筒轉子

2.8 軍工領域

碳纖維具有質輕，高強度，高模量，耐腐蝕，耐疲勞，耐高溫，導熱，散熱性好和熱膨脹系數小等特點，碳纖維及其復合材料被廣泛應用于火箭，導彈，軍用飛機，個體防護等軍工領域，且用量與日俱增，使軍事裝備性能得到不斷提高。碳纖維及其復合材料已成為發展現代國防軍工武器裝備的重要戰略物資。在軍用火箭和導彈方面，碳纖維復合材料優異性能也得到了較好的應用與發展，如“飛馬座”、“德爾塔”運載火箭、“三叉戟”Ⅱ（D5）、“侏儒”導彈等均采用碳纖維復合材料；而美國的戰略導彈 MX 洲際導彈，俄羅斯戰略導彈“白楊” M 導彈也采用先進復合材料發射筒。

一家奧地利公司推出了一款名為VOERE S16的栓動步槍，空槍重量僅僅只有2KG（如圖18）。其具備碳纖維強化復合材料槍管，這是該槍的推出是的主打賣點，也是此槍僅重2KG的重要原因。

圖19 CFRP槍管

瑞典薩博公司推出了M4新型反坦克火箭（如圖19），M4重6.7KG，較卡爾·古斯塔夫M3輕約3KG，外殼采用碳纖維復合材料(減重0.8KG)，通過重新設計文丘里管使火箭炮減重0.9千克，M4的總長度減到了1米以內。

2.9 體育休閑等運動器材

在體育休閑用品領域，碳纖維高爾夫球桿和釣魚竿最早獲得應用，其也是推動碳纖維發展的最早消費渠道之一。早在十幾年前，僅用于高爾夫球桿上的碳纖維消耗就占全世界總碳纖維消耗量的十分之一。近年來，自行車、網球拍、羽毛球拍等體育用品也越來越多地使用到碳纖維材料。

采用碳纖管制成的超輕型高爾夫球桿重量僅有50g左右，而鋼制桿身有120g以上，在減輕重量的同時，碳纖維材質使得球桿具備更好的彈性和韌性，球桿在運動中給使用者帶來的震感更小，平衡感和手感舒適程度更高。又如攝影攝像設備中使用碳纖維管制作的滑軌，外形美觀,使用方便，尤其是其重量輕、承重大的特點，非常適合外拍攜帶,為戶外攝影工作者所喜愛。

這類用品中的碳纖管能有效提升使用者的體驗度，更輕的質量能減輕使用者的體力消耗，增加運動休閑的愉悅性，更強的材質還能減少器材彎曲變形的可能性，延長產品的使用壽命。由于碳纖維在體育休閑領域中的應用技術相對成熟，因此碳纖維在該領域的需求量呈穩定增長態勢。

3. 結束語

盡管目前的碳纖管價格行情在一定程度上制約了其在更多方位上的運用，可是，隨著加工工藝化水平的不斷提高和批量化生產模式的不斷推廣，這一瓶頸將被逐漸打破。從市場發展需求來看，碳纖維復合材料管的發展趨勢將向功能特殊化、射擊組合化的方向發展。

總而言之，產品的基礎性決定了市場需求量，碳纖維管的發展方向不可小覷，在取代金屬材料管材的輕量過程中終將飾演越來越重要的較色。

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