台风来了,碳材料能做什么?
今年第7号台风“范斯高”将于本周末在浙江至福建一带登陆,将带来短时大雨或暴雨;上周,台风“韦帕”袭珠三角,导致深圳机场被迫停摆。近年来,我国乃至全球极端天气事件频发,尤其是沿海和南方地区,台风、暴雨、高湿热等极端气候成为常态,这对交通运输装备的材料性能和结构安全提出了更高的要求。在此背景下,碳纤维复合材料因其轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳、热稳定性强等特性,在航空、轨道交通和汽车等关键交通领域具备大规模应用潜力。
碳纤维复合材料通常由高强度碳纤维与热固或热塑性树脂基体复合得到,其密度仅为1.6 g/cm?,是钢密度的1/5,铝的2/3,但抗拉强度却可达到3500 MPa以上。这种“轻质高强”的性能组合,使碳纤维复合材料特别适用于对结构强度与减重有严格要求的交通系统,尤其是在应对台风、高风压、雨水冲刷、高盐雾等气候条件下,能够在保证安全性的前提下实现结构优化。
在民用航空领域,碳纤维复合材料已成为大型客机机体结构的重要组成部分,具有高附加值。空客A350和波音787中复合材料占比均超过50%,涵盖机翼、尾翼、舱门、腹部结构等核心部位。碳纤维的耐腐蚀和热稳定性能可显著提升机体在不同气候下长期运行的可靠性,特别是在高湿高盐的海洋航线中,能够大幅减少腐蚀带来的维护负担。此外,碳纤维的轻质属性还可以提高飞机续航能力。在国内,商飞C919的碳纤维应用比例虽低于国际先进水平,但也已在副翼、机舱蒙皮等关键结构中采用了T700级碳纤维,未来C929中碳纤维的使用占比将达到50%,进一步提升整机的适航性。
碳纤维在轨道交通中的应用也在逐步推进,在头罩、排障器、设备舱、内饰件等部位代替传统金属材料使用,提升车身的抗风压能力与整体强度,进而提高旅客乘坐舒适性。今年1月,青岛地铁集团与中车四方股份公司联合研制的全球首列碳纤维地铁列车“CETROVO 1.0碳星快轨”投入商业运营。该列车采用碳纤维复合材料作为车体主承载结构,相较于传统金属材料,使整车减重约11%,运行能耗降低7%。同时,我国下线试验的CR450高速动车组也已开始使用碳纤维复合材料。在台风等极端环境下,高速列车穿越强风区时所承受的气动载荷显著上升,碳纤维的高比强度和良好的抗形变能力可以显著降低结构破坏风险,其优异的抗疲劳性能也可有效减少车体连接部位长期运行产生的裂纹扩展与微损伤,提高列车全寿命周期。
在汽车工业领域,新能源汽车的快速发展为碳纤维复合材料的应用提供了新的机遇,其应用主要集中在车身结构件、车顶、底盘系统、电池壳体等方面,赋予车辆更好的安全性和操控性能。目前,蔚来、比亚迪、小鹏等企业在其高端车型或新能源汽车中均以导入碳纤维组件,提升其在极端气候条件下的耐候性与操控响应。小米SU7 Ultra对碳纤维的大规模应用更为该材料在汽车工业中的放量提供了宝贵的经验与技术支持。与普通版相比,SU7 Ultra在车顶、尾翼、迎宾踏板、座椅背板、内饰中控等21处部件使用碳纤维复合材料,并提供选配碳纤维双风道前舱盖、U型锻造轮毂等配置,全车碳纤维总使用面积超5.5 ㎡。
除了车身结构件,制动系统中的刹车盘也正在经历由金属盘到碳/碳(陶)刹车盘的转变。碳/陶刹车盘相比于主流的金属刹车盘而言,具备压倒性性能优势,拥有超强的耐高低温性能、抗氧化性、耐腐蚀性、长寿命等特征,即使在暴雨冲刷或频繁热湿交替的环境中,也能保持低磨损率和稳定制动效能,极大提升整车在台风、湿滑路况中的安全性。2025年3月,金博碳陶KBCC与康纳制动正式签署战略合作协议,携手开拓碳陶制动后市场。
由此看来,碳纤维复合材料已成为当前交通装备领域材料体系升级的重要方向,随着碳纤维性能的进一步提升及成本的逐步下降,未来其在飞机、高铁、新能源汽车等复杂环境中的覆盖范围将继续拓展,成为抵御极端气候、提升交通系统可靠性与安全性的核心材料。